CN113557797B - 等离子体处理装置和等离子体处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供等离子体处理装置和等离子体处理方法。分隔板具有绝缘性，将处理容器的内部分隔为载置被处理体的反应室和生成等离子体的等离子体生成室。此外，分隔板在等离子体生成室侧的面设置第一电极，形成有用于将在等离子体生成室内生成的等离子体所包含的活性种供给到反应室的多个贯通孔。第二电极与第一电极相对地配置在等离子体生成室。在等离子体生成室生成等离子体时，电功率供给部对第一电极和第二电极中的任一者供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体处理装置和等离子体处理方法。
背景技术
专利文献1公开了将原料气体等离子体化，将基片暴露于该等离子体以在该基片上形成薄膜的等离子体处理装置。原料气体的等离子体化通过施加高频电功率来进行，该高频电功率是对将1kHz以下的第一脉冲调制和具有比该调制短的周期的第二脉冲调制叠加并且进行该脉冲调制的高频波形叠加高次谐波而得到的。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平5-160045号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明提供一种能够调整对被处理体照射的离子的密度的技术。
用于解决技术问题的技术方案
本发明的一个方式的等离子体处理装置包括处理容器、分隔板、第二电极和电功率供给部。分隔板具有绝缘性，将处理容器的内部分隔为载置被处理体的反应室和生成等离子体的等离子体生成室。此外，分隔板在等离子体生成室侧的面设置第一电极，形成有用于将在等离子体生成室内生成的等离子体所包含的活性种供给到反应室的多个贯通孔。第二电极与第一电极相对地配置在等离子体生成室。在等离子体生成室生成等离子体时，电功率供给部对第一电极和第二电极中的任一者供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率。
发明效果
依照本发明，能够调整对被处理体照射的离子的密度。
附图说明
图1是表示实施方式的等离子体处理装置的一个例子的概要截面图。
图2是用于说明实施方式的分隔板与第二板电极的位置关系的一个例子的放大截面图。
图3是表示实施方式的DED处理导致的图案的变化的一个例子的图。
图4是表示实施方式的DED处理导致的图案的变化的另一个例子的图。
图5是表示实施方式的成膜处理的一个例子的流程图。
图6是表示实施方式的等离子体处理装置的另一个例子的概要截面图。
具体实施方式
以下，参照附图，对公开的等离子体处理装置和等离子体处理方法的实施方式详细地进行说明。此外，公开的等离子体处理装置和等离子体处理方法并不由以下的实施方式限定。
作为对半导体晶片(以下也称为“晶片”)进行各向同性的成膜的技术，已知等离子体ALD(Atomic Layer Deposition：原子层沉积)。
但是，等离子体ALD有时产生因处理条件和装置导致的膜厚、膜质的各向异性。例如，通过使用CCP(电容耦合型等离子体)的等离子体处理装置的等离子体ALD，对形成有图案的晶片进行了成膜的情况下，有时由于在等离子体中存在的离子的直进性，对成膜于图案的上表面和底面的膜造成侧壁的相对的薄膜化、膜质降低。
所以，为了通过等离子体ALD实现各向同性成膜，优选对晶片照射的离子的密度低。另一方面，对于等离子体处理装置，有时要求对离子进行活用的处理。因此，对于等离子体处理装置，人们希望能够调整对晶片照射的离子的密度。
[等离子体处理装置的结构]
对本实施方式的等离子体处理装置的一个例子进行说明。图1是表示实施方式的等离子体处理装置1的一个例子的概要截面图。等离子体处理装置1包括：有底且上方开口的大致圆筒状的处理容器10；和设置于处理容器10内的载置台11。处理容器10接地。此外，处理容器10的内壁例如被在表面形成有由耐等离子体性的材料构成的喷涂覆膜的衬里(未图示)覆盖。
载置台11例如由镍等金属形成。在载置台11载置晶片W。晶片W是被处理体的一个例子。载置台11的下表面与由导电性材料形成的支承部件13电连接，载置台11由支承部件13支承。支承部件13由处理容器10的底面支承。支承部件13的下端与处理容器10的底面电连接，经由处理容器10接地。也可以为，支承部件13的下端经由进行调整使得载置台11与接地电位之间的阻抗降低的电路，与处理容器10的底面电连接。
在载置台11内置有加热器12，利用加热器12将载置在载置台11的晶片W加热至规定的温度。此外，在载置台11内部，可以形成用于使致冷剂流通的流路(未图示)，也可以通过设置于处理容器10的外部的冷却单元将进行了温度控制的致冷剂循环供给到流路内。通过由加热器12进行的加热和由从冷却单元供给的致冷剂进行的冷却，载置台11能够将晶片W控制为规定的温度。此外，也可以不搭载加热器12，而仅利用从冷却单元供给的致冷剂进行温度控制。
另外，也可以为，在载置台11埋入电极。利用由供给到该电极的直流电压产生的静电力，载置台11能够吸附载置于上表面的晶片W。此外，在载置台11设置有用于在其与设置于处理容器10的外部的未图示的输送机构之间交接晶片W的升降销(未图示)。
在载置台11的上方，处理容器10的内侧面设置有形成为大致圆盘状的上部电极30。上部电极30经由陶瓷等绝缘部件33支承于载置台11的上部。由此，处理容器10与上部电极30电绝缘。上部电极30例如由镍(Ni)等导电性的金属形成。上部电极30是第二电极的一个例子。
上部电极30与气体供给管50连接。气体供给管50与气体供给部51连接，从气体供给部51被供给各种气体。经由气体供给管50供给的气体在上部电极30的下方的等离子体生成室42内扩散。此外，也可以将气体供给管50分支为多个供给管，利用多个气体导入口对等离子体生成室供给气体。此外，为了提高向等离子体生成室42供给的气体的均匀性，也可以在等离子体生成室42的上部经由喷淋板设置气体扩散空间，在气体扩散空间使气体扩散以从喷淋板呈喷淋状对等离子体生成室42供给气体。
在上部电极30与载置台11之间设置有将处理容器10内的空间分隔为等离子体生成室42和反应室61的分隔板40。分隔板40以与上部电极30平行的方式配置于处理容器10内。分隔板40例如由陶瓷等绝缘性的部件形成。分隔板40在成为等离子体生成室42侧的上表面设置有第一板电极43。第一板电极43例如由表面经阳极氧化处理过的铝等金属形成。第一板电极43是第一电极的一个例子。
另外，在分隔板40与载置台11之间设置有第二板电极60。第二板电极60例如由表面经阳极氧化处理过的铝等金属形成。在本实施方式中，第二板电极60由处理容器10的侧壁支承。第二板电极60与处理容器10电连接，经由处理容器10接地。即，第二板电极60为GND电位。
接着，参照图2继续进行说明。图2是用于说明实施方式的分隔板40与第二板电极60的位置关系的一个例子的放大截面图。在分隔板40和第一板电极43例如如图2所示设置有将分隔板40和第一板电极43在厚度方向上贯通的多个贯通孔40a。
另外，分隔板40在内部设置有气体扩散室41。在气体扩散室41形成有向下方延伸的多个气体释放口41a。气体扩散室41与气体供给管44连接。气体供给管44与气体供给部51连接，从气体供给部51供给各种气体。经由气体供给管44供给来的气体，在气体扩散室41内扩散，并从各气体释放口41a释放。
在第二板电极60形成有在第二板电极60的厚度方向上贯通的多个贯通孔60a。第二板电极60的贯通孔60a在水平方向上形成在与分隔板40和第一板电极43的没有形成贯通孔40a的位置对应的位置。即，贯通孔60a在水平方向上形成在与贯通孔40a不同的位置。由此，分隔板40的贯通孔40a在铅垂方向上被第二板电极60遮挡。第二板电极60抑制离子经由多个贯通孔60a从等离子体生成室42向反应室61的侵入。第二板电极60是抑制部的一个例子。
另外，除了第二板电极60之外，还可以追加一个或其以上的数量的板电极。追加的板电极的贯通孔，优选形成在与正上方的板电极的贯通孔不同的位置。板电极的电位优选GND电位。
另外，等离子体处理装置1如图1、图2所示，在分隔板40与载置台11之间设置有第二板电极60的情况下，由第二板电极60阻挡离子从等离子体生成室42向反应室61的侵入。在使离子从等离子体生成室42侵入反应室61的情况下，等离子体处理装置1也可以不设置第二板电极60。图6是表示实施方式的等离子体处理装置的另一个例子的概要截面图。图6所示的等离子体处理装置1没有设置第二板电极60。在该情况下，等离子体处理装置1能够使在等离子体生成室42中生成的离子通过第一板电极43的贯通孔40a供给到反应室61。此外，等离子体处理装置1能够通过控制等离子体来控制离子的供给量。
返回图1。气体供给管50和气体供给管44与气体供给部51连接。气体供给部51将用于等离子体处理的各种气体供给到气体供给管50和气体供给管44。例如，气体供给部51具有用于等离子体处理的多个气体的气体源、质量流量控制器之类的多个流量控制器、和多个阀。气体供给部51调节来自从多个气体源中选择的气体源的气体的流量，将该气体单独地供给到气体供给管50和气体供给管44。例如，在通过等离子体ALD进行成膜的情况下，气体供给部51分别单独地供给原料气体、反应气体和非活性气体。原料气体、反应气体和非活性气体的具体例子在后文说明。
上部电极30与开关25连接。开关25能够选择性地将连接目标切换为配线25a～25c。配线25a经由匹配器27与第一高频电源20电连接。
匹配器27设置有可变电容器、阻抗控制电路，能够进行电容、阻抗中的至少一者的控制。匹配器27使负载阻抗与第一高频电源20的内部阻抗匹配。
第一高频电源20能够产生一个或者多个频率的高频。例如，第一高频电源20能够产生并供给50kHz～220MHz的范围的单一频率的高频电功率。此外，第一高频电源20能够供给对多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的TVW(Tailored voltagewaveform：调制电压波形)的高频电功率。
另外，配线25a在开关25和匹配器27之间分支，经由过滤器24、开关23与供给负直流电压的直流电源22连接。过滤器24抑制经由开关23从直流电源22供给的直流电压的高频成分，并且抑制从第一高频电源20流入直流电源22的高频电功率。
在配线25b设置有LC电路28。LC电路28例如串联连接有可变电容器28a和电感28b。LC电路28通过调节可变电容器28a的电容，能够使上部电极30的电位接近大地的电位。LC电路28通过调节可变电容器28a的电容，能够改变共振频率等的特性。可变电容器的电容由后述的控制装置100控制。此外，LC电路28也可以是将电容值固定的电容器和阻抗值可变的可变电感串联连接而成的电路。
配线25c与GND29连接。
开关25通过将连接目标选择性地切换为配线25a～25c，能够将上部电极30的连接目标切换为第一高频电源20、LC电路28和GND29。
第一板电极43与开关45连接。开关45能够将连接目标选择性地切换为配线45a～45c。配线45a经由匹配器49与第二高频电源46电连接。
匹配器49设置有可变电容器、阻抗控制电路，能够进行电容、阻抗中的至少一者的控制。匹配器49使负载阻抗与第二高频电源46的内部阻抗匹配。
第二高频电源46与第一高频电源20同样能够产生一个或者多个频率的高频。例如，第二高频电源46能够产生并供给50kHz～220MHz的范围的单一频率的高频电功率。此外，第二高频电源46能够供给对多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的TVW的高频电功率。
在配线45b设置有LC电路47。LC电路47例如串联连接有可变电容器47a和电感47b。LC电路47通过调节可变电容器47a的电容，能够使分隔板40的电位接近大地的电位。LC电路47通过调节可变电容器47a的电容，能够改变共振频率等的特性。可变电容器的电容由后述的控制装置100控制。此外，LC电路47是将电容值固定的电容器和阻抗值可变的可变电感串联连接而成的电路。
配线45c与GND48连接。
开关45通过将连接目标选择性地切换至配线45a～45c，能够将第一板电极43的连接目标切换至第二高频电源46、LC电路47和GND48。
另外，实施方式的等离子体处理装置1可以经由匹配器75使第三高频电源76与载置台11电连接。匹配器75设置有可变电容器、阻抗控制电路，能够进行电容、阻抗中的至少一者的控制。匹配器75使负载阻抗与第三高频电源76的内部阻抗匹配。等离子体处理装置1利用第三高频电源76对载置台11施加电压，能够增加通过等离子体生成室42的离子的量。此外，等离子体处理装置1从第三高频电源对载置台11施加电压以在反应室61中生成等离子体，由此，例如能够进行直接使用等离子体的薄膜的改性处理、各向异性蚀刻、原子层蚀刻。
在处理容器10的底面，经由排气管71连接有对处理容器10内进行排气的排气装置70。在排气管71设置有调节排气装置70的排气量的调节阀72。通过驱动排气装置70，经由排气管71对处理容器10内的气体进行排气，通过调节调节阀72的开度，将处理容器10内减压至规定的真空度。
在处理容器10的侧壁形成有用于送入和送出晶片W的开口14。开口14由闸门G开闭。
等离子体处理装置1的各部由控制装置100控制。控制装置100具有存储器和处理器。处理器读取并执行保存于存储器的程序、方案，由此，控制等离子体处理装置1的各部。在本实施方式中，控制装置100控制等离子体处理装置1的各部，以使得通过等离子体ALD在载置台11上的晶片W上形成膜。
下面，对使用等离子体处理装置1的等离子体处理的具体例进行说明。在下文中，说明使用等离子体处理装置1通过等离子体ALD进行成膜的情况。
例如，在载置台11上载置晶片W，在将闸门G关闭后，控制装置100驱动排气装置70，调节调节阀72的开度，由此，将处理容器10内减压至规定的真空度。然后，控制装置100控制气体供给部51，供给成膜用的原料气体、反应气体和非活性气体来实施等离子体ALD。
在此，在对SiO2膜进行成膜的情况下，作为原料气体例如能够使用BDEAS(双(二乙基氨基)硅烷)、DIPAS(二异丙基氨基硅烷)、DMAS(二甲基氨基硅烷)、TDMAS(三(二甲基氨基)硅烷)等氨基硅烷气体。作为反应气体能够使用氧(O2)气等氧化气体。作为非活性气体能够使用氩(Ar)气、He气体等。
另外，在对TiO2膜进行成膜的情况下，作为原料气体例如能够使用TiCl4、四(异丙氧基)钛(TTIP)、四溴化钛(TiBr4)、四碘化钛(TiI4)、四(乙基甲基氨基)钛(TEMAT)、四(二甲基氨基)钛(TDMAT)、四(二乙基氨基)钛(TDEAT)等。作为反应气体能够使用氧(O2)气等氧化气体。作为非活性气体能够使用N2气体、Ar气体、He气体等。
另外，在对SiN膜进行成膜的情况下，作为原料气体例如能够列举BDEAS(双(二乙基氨基)硅烷)、DIPAS(二异丙基氨基硅烷)、DMAS(二甲基氨基硅烷)、TDMAS(三(二甲基氨基)硅烷)等氨基硅烷气体，二氯硅烷(DCS)、六氯乙硅烷(HCDS)、二碘硅烷(DIS)等卤化物气体。作为反应气体能够使用氮(N2)气、NH3气体等。作为非活性气体能够使用氩气、He气体等。
例如，控制装置100执行吸附步骤。在吸附步骤中，从气体供给部51将原料气体经由气体供给管44供给到气体扩散室41。经由气体供给管44供给的原料气体在气体扩散室41内扩散，从各气体释放口41a呈喷淋状供给到反应室61内。被供给到反应室61内的原料气体的分子吸附在载置台11上的晶片W的表面。此外，对晶片W表面供给的物质，除了原料气体本身之外，可以为由等离子体解离得到的自由基，也可以为热分解得到的前体(Precursor)。
接着，控制装置100停止从气体供给部51供给原料气体。然后，控制装置100执行第一吹扫步骤。在第一吹扫步骤中，从气体供给部51将非活性气体经由气体供给管50和气体供给管44供给到等离子体生成室42和气体扩散室41。被供给到等离子体生成室42和气体扩散室41内的非活性气体经由分隔板40的贯通孔40a和第二板电极60的贯通孔60a呈喷淋状供给到反应室61内。利用被供给到反应室61的非活性气体，能够除去保留在气体供给部51、气体供给管44、气体扩散室41和反应室61的原料气体和过剩地吸附于晶片W的表面的原料气体的分子。
接着，控制装置100停止从气体供给部51供给非活性气体。然后，控制装置100执行反应步骤。在反应步骤中，从气体供给部51将反应气体经由气体供给管50供给到等离子体生成室42。被供给到等离子体生成室42内的反应气体，在等离子体生成室42内扩散。
然后，控制装置100控制第一高频电源20、开关25、第二高频电源46和开关45，对上部电极30和第一板电极43施加高频电功率。此外，控制装置100将开关23控制为接通，使从直流电源22供给的规定大小的负直流电压叠加到高频电功率。
在此，在本实施方式中，作为对上部电极30和第一板电极43施加的电压的组合，分为以下6种模式。
第一模式：对上部电极30施加单一频率的高频电功率，对第一板电极43施加TVW的高频电功率。
第二模式：对上部电极30叠加地施加单一频率的高频电功率和TVW的高频电功率，将第一板电极43连接到GND48或者LC电路47。
第三模式：对上部电极30施加TVW的高频电功率，将第一板电极43连接到GND48或者LC电路47。
第四模式：对上部电极30施加TVW的高频电功率，对第一板电极43施加单一频率的高频电功率。
第五模式：将上部电极30连接到GND或者LC电路，对第一板电极43叠加地施加单一频率的高频电功率和TVW的高频电功率。
第六模式：将上部电极30连接到GND或者LC电路，对第一板电极43施加TVW的高频电功率。
控制装置100在第一模式和第四模式的情况下，将开关25连接到与第一高频电源20连接的配线25a，将开关45连接到与第二高频电源46连接的配线45a。此外，控制装置100在第二模式或者第三模式的情况下，将开关25连接到与第一高频电源20连接的配线25a，将开关45连接到与GND48连接的配线45c或者与LC电路47连接的配线45b。此外，控制装置100在第五模式或者第六模式的情况下，将开关25连接到与GND29连接的配线25c或者与LC电路28连接的配线25b，将开关45连接到与第二高频电源46连接的配线45a。然后，控制装置100控制第一高频电源20和第二高频电源46，根据第一～第六模式对上部电极30和第一板电极43施加单一频率的高频电功率、TVW的高频电功率。TVW的高频电功率，具体而言通过将不同频率的高频电压叠加，控制相位而生成。例如，第一高频电源20和第二高频电源46对作为基波的高频电功率，控制并叠加基波的整数倍的频率的一个或者多个高频电功率的相位，来生成TVW的高频电功率。作为在TVW中叠加的频率，将基波的频率设为f，例如，能够例举以下的频率组合。
·f+2f
·f+3f+5f
·f+2f+3f
基波的频率f优选100kHz～100MHz的范围。在负性等离子体的情况下，优选频率较低，例如，采用400kHz。另一方面，在正性等离子体的情况下，优选频率较高，例如，采用60MHz。关于相位，在对上部电极30施加高频电功率的情况下优选270°，在对第一板电极43或者载置台11施加高频电功率的情况下优选90°。
单一频率的高频电功率优选100kHz～220MHz的范围。在负性等离子体的情况下，优选频率较低，例如，采用400kHz。另一方面，在正性等离子体的情况下，优选频率较高，例如，采用60MHz。
施加到上部电极30和第一板电极43的高频电功率，被辐射到等离子体生成室42内。由此，在等离子体生成室42中，生成反应气体的等离子体。在等离子体生成室42内产生的等离子体包含电子、离子、和活性种。
等离子体处理装置1通过控制作为TVW的高频电功率叠加的频率的组合、相位，能够控制在等离子体生成室42内产生的等离子体鞘层的厚度。等离子体鞘层的厚度由于施加电压的区域与GND区域的面积比、施加的电压波形、基波与高次谐波的相位差、是否使基波和高次谐波中的任一者的相位移动之类的因素而变化。施加电压的区域与GND区域的面积比由等离子体处理装置1的装置形状决定，因此，通过实质上使其他因素变化来控制等离子体鞘层的厚度。例如，在将f+2f叠加了的情况下，使基波(f)与高次谐波(2f)的相位差变化时，等离子体鞘层的厚度周期性地变化。此外，使基波和高次谐波的振幅、电压波形(例如，是sin波还是cos波)变化时，等离子体鞘层的厚度的变化量和等离子体鞘层的厚度的周期性变化的相位产生变化。当等离子体鞘层的厚度变化时，电子、离子等荷电粒子的加速度变化。由此，控制装置100控制TVW的高频电功率，使等离子体鞘层的厚度变化，由此能够控制等离子体中的荷电粒子的能量。例如，通过使等离子体鞘层的厚度变化，能够使等离子体中的离子的能量变化。因此，基于要实现的目的选择最适宜的等离子体鞘层厚度，由此能够选择最适宜的离子的贡献度。此外，能够利用TVW独立地控制电子温度、电子密度、自由基解离、离子能量，能够根据处理独立地控制上述的参数。
第一板电极43从等离子体吸热而发热。此外，第一板电极43由于电子、离子等荷电粒子被加速而入射到其表面，因此表面发生消耗。但是，通过使等离子体鞘层的厚度变薄，能够降低来自等离子体的输入热量。此外，使等离子体鞘层的厚度变薄，而使荷电粒子的能量降低，由此能够抑制第一板电极43的消耗。
另外，在第二模式和第三模式中将第一板电极43连接到GND48的情况下，与第一板电极43的表面接触的电子、离子等荷电粒子的电荷被中和。此外，不与第一板电极43的表面接触的荷电粒子，通过第一板电极43的贯通孔40a。在此，本实施方式中的贯通孔40a例如如图2所示，在铅垂方向上被第二板电极60遮挡。因此，通过了贯通孔40a内的荷电粒子与第二板电极60的上表面62接触。然后，在第二板电极60的上表面62，离子的电荷被电子的电荷中和。因此，经由第二板电极60的贯通孔60a侵入反应室61内的离子减少。由此，能够减轻因离子而在晶片W产生的损伤。
另一方面，如图6所示，在不设置第二板电极60的情况下，在等离子体生成室42中生成的荷电粒子不被第二板电极60遮挡，因此，经由第一板电极43的贯通孔40a能够将荷电粒子供给到反应室61。并且，通过从第三高频电源76对载置台11施加电压，能够使通过等离子体生成室42的离子的量增加。
在第一模式至第六模式中，能够调整离子穿透率，能够调整对晶片W照射的离子的密度。此外，第一模式至第六模式均能够控制等离子体鞘层的厚度。由此，通过使等离子体鞘层的厚度变薄，能够降低来自等离子体的输入热量。此外，通过使等离子体鞘层的厚度变薄来降低荷电粒子的能量，能够抑制第一板电极43的消耗和发热。尤其是，在第一模式、第五模式和第六模式中，离子穿透率的控制性高。另一方面，在第二模式、第三模式和第四模式中，离子穿透率的变化量比较小，能够优先地进行解离控制。
另外，在第一模式、或者第二模式和第三模式中将第一板电极43连接到LC电路47的情况下，能够调整荷电粒子的电荷被第一板电极43遮挡的离子的遮挡量，因此，能够调整侵入反应室61内的离子密度。
另一方面，等离子体包含的活性种为电中性，因此，活性种的前进路线不影响第一板电极43、第二板电极60的电位，能够以与不电离的气体同样的方式进行供给。因此，侵入第一板电极43的贯通孔40a的活性种例如如图2的虚线箭头所示，通过第二板电极60的贯通孔60a供给到反应室61。被供给到反应室61的活性种与晶片W上的原料气体的分子反应，形成膜。
接着，控制装置100停止从气体供给部51供给反应气体。此外，控制装置100控制第一高频电源20、第二高频电源46，停止向上部电极30和第一板电极43施加高频电功率，将开关45控制为断开。此外，控制装置100将开关23控制为断开，由此，停止从直流电源22向上部电极30施加负直流电压。然后，控制装置100执行第二吹扫步骤。在第二吹扫步骤中，从气体供给部51将非活性气体经由气体供给管50和气体供给管44供给到等离子体生成室42和气体扩散室41。被供给到等离子体生成室42和气体扩散室41内的非活性气体，经由分隔板40的贯通孔40a和第二板电极60的贯通孔60a呈喷淋状供给到反应室61内。利用被供给到反应室61的非活性气体，除去保留在晶片W的表面的反应气体和挥发性的反应副产物。
控制装置100将吸附步骤、第一吹扫步骤、反应步骤和第二吹扫步骤反复进行规定循环次数，在晶片W的表面形成规定的膜厚的膜。
如上所述，本实施方式的等离子体处理装置1能够控制对反应室61供给的离子的密度。由此，等离子体处理装置1例如在对形成有图案的晶片W进行成膜的情况下，通过使侵入反应室61内的离子的密度降低，能够抑制发生图案的侧壁的相对的薄膜化、膜质降低的情况。此外，等离子体处理装置1能够控制离子密度，因此，还能够实施活用离子的处理。
在此，当仅分为等离子体生成室42和反应室61时，也考虑采用所谓的远程等离子体的方式，即在不同的装置内实现等离子体生成室42和反应室61，经由配管将等离子体生成室42和反应室61连接。但是，在该情况下，有时等离子体所包含的活性种在配管内流动的过程中失活，难以对反应室61内供给足够量的活性种。
对此，本实施方式的等离子体处理装置1中，等离子体生成室42和反应室61经由分隔板40相邻。因此，能够将等离子体生成室42中生成的等离子体所包含的大多数活性种不失活地导向反应室61。
另外，当仅供给大量的活性种时，也考虑通过与CCP相比电子密度高的ICP(Inductively Coupled Plasma：电感耦合等离子体)、SWP(Surface Wave Plasma：平面波等离子体)等等离子体生成方式来生成等离子体。但是，在ICP、SWP等等离子体生成方式中，与CCP相比需要增大等离子体生成室42的容积。因此，在如ALD那样气体的置换时间对处理的生产效率(throughput)影响较大的成膜方式中应用ICP、SWP等等离子体生成方式的情况下，生产效率难以提高。
对此，在本实施方式的等离子体处理装置1中，通过CCP生成等离子体，因此与ICP、SWP等等离子体生成方式相比能够减小等离子体生成室42的容积。由此，能够更高速地实现气体置换，能够提高基于ALD的成膜处理的生产效率。
接着，对使用等离子体处理装置1的半导体处理的一个例子进行说明。伴随半导体处理步骤的微小化、复杂化，填埋沟槽或孔的填缝(Gap Fill)步骤的难度增加。例如，在填缝步骤中，需要在开口为数十nm以下且高宽比为10以上的沟槽或者孔结构中均匀且无缝地埋入SiN。
这样一来，对微小且高宽比大的结构，能够各向同性地将SiN成膜，进行填埋。在该情况下，从沟槽的两壁或者孔的外周部开始成膜并推进，最终相对的SiN膜彼此接触而填埋完成。但是，在该情况下，最终接触的部分可能会形成接缝。在接缝存在的部分，与其他部分相比有时膜质不同，例如，在后步骤中先从接缝部分进行蚀刻，有时成为器件缺陷。并且，在实施使用等离子体的现有的成膜的情况下，由于帮助氧化或者氮化反应的自由基的失活，而发生沟槽或者孔的上部的成膜速率与下部相比变高的现象。在这样的情况下，沟槽或者孔的上部线被填埋，在下部不能充分成膜。尤其是，在前步骤中实施的蚀刻的影响下，沟槽或者孔的上部与中间相比成为狭窄的弓形(Bowing)形状时，更多地在上部成膜，因此，更难以对沟槽或者孔进行均匀且无缝地填埋。
为了解决这一问题，需要从沟槽或者孔的底部自下而上地进行成膜。在现有的氧化膜、氮化膜的成膜中，难以在图案的侧部和底部有意地造成成膜速率差异，因此，彻底的自下而上成膜比较困难。
另一方面，通过实施交替地进行成膜和蚀刻的DED(Depo-Etch-Depo)处理，能够除去妨碍填埋的顶部和侧部的膜，能够实现近似的自下而上成膜。在下文中，说明使用本实施方式的等离子体处理装置1，实施DED(Depo-Etch-Depo)处理，来实施近似的自下而上成膜的例子。
图3是表示实施方式的DED处理导致的图案的变化的一个例子的图。图3示出了晶片W。在晶片W上设有形成有孔82的图案81。
如图3的(A)所示，在晶片W将SiN膜83各向同性地成膜。例如，利用本实施方式的等离子体处理装置1，以上述的第一模式的高频电功率实施等离子体ALD，对SiN膜83进行成膜。在第一模式中，侵入反应室61内的离子密度降低，如图3的(A)所示，SiN膜83均匀地成膜。
接着，进行SiN膜83的各向异性蚀刻。各向异性蚀刻可以由等离子体处理装置1实施，也可以由其他等离子体处理装置实施。例如，在利用本实施方式的等离子体处理装置1实施蚀刻的情况下，控制装置100从气体供给部51将例如NF3和H2等蚀刻气体供给到气体供给管44。被供给到气体供给管44的蚀刻气体在气体扩散室41内扩散，从各气体释放口41a呈喷淋状供给到反应室61内。然后，控制装置100将开关45连接到与第二高频电源46连接的配线45a，并且控制第二高频电源46，对第二板电极60施加50kHz～220MHz的范围的单一频率的高频电功率或者将多个频率叠加而成的高频电功率。进行控制以调节供给的自由基的流量和压力，使得自由基不能充分到达图案的下部(在图案的中途失活)，这时，如图3的(B)所示，SiN膜83的上部被较多地蚀刻，越靠近孔82的下部，膜保留得越多。在DED处理中，通过交替地反复实施这样的成膜和蚀刻，能够实现SiN膜83的近似的自下而上成膜。
图4是表示实施方式的DED处理的图案的变化的另一个例子的图。图4表示与图3同样的晶片W。
如图4的(A)所示，在晶片W将SiN膜83各向异性地成膜。各向异性的成膜可以由等离子体处理装置1实施，也可以由其他等离子体处理装置实施。例如，利用本实施方式的等离子体处理装置1实施现有的等离子体ALD。例如，控制装置100实施本实施方式的等离子体ALD的吸附步骤、第一吹扫步骤、第二吹扫步骤。此外，控制装置100在本实施方式的反应步骤中，从气体供给部51将反应气体供给到气体供给管44。然后，控制装置100将开关45连接到与第二高频电源46连接的配线45a，并且控制第二高频电源46，对第二板电极60施加50kHz～220MHz的范围的单一频率的高频电功率或者将多个频率叠加而成的高频电功率。由此，在反应室61中，生成反应气体的等离子体，将SiN膜83在晶片W成膜。由于等离子体中存在的离子的直进性，SiN膜83在孔82的侧壁部分较薄地成膜。
接着，进行SiN膜83的各向同性蚀刻。各向同性蚀刻可以由等离子体处理装置1实施，也可以由其他等离子体处理装置实施。例如，利用本实施方式的等离子体处理装置1实施等离子体ALE。进行控制来调节供给的自由基的流量和压力等处理参数，使得自由基能够充分到达图案的下部(进行各向同性地蚀刻)，此时，如图4的(B)所示，SiN膜83在孔82的下部和图案81的上表面较多地保留膜。在DED处理中，通过交替地反复实施这样的成膜和蚀刻，能够实现SiN膜83的近似的自下而上成膜。此外，各向同性蚀刻可以为不使用等离子体而利用热的蚀刻。此外，各向同性蚀刻可以为大气压气氛下的利用药液进行的蚀刻。
[等离子体处理]
下面，说明使用如上述那样构成的等离子体处理装置1进行的等离子体处理。在下文中，说明作为等离子体处理的、基于等离子体ALD进行的成膜处理的流程。图5是表示实施方式的成膜处理的一个例子的流程图。
首先，打开闸门G，利用未图示的机械臂，将晶片W送入处理容器10内，载置在载置台11上(S100)。然后，关闭闸门G。然后，控制装置100驱动排气装置70，调节调节阀72的开度，由此，将处理容器10内减压至规定的真空度(S101)。
接着，控制装置100执行吸附步骤(S102)。从气体供给部51将原料气体经由气体供给管44供给到气体扩散室41。经由气体供给管44供给的原料气体在气体扩散室41内扩散，从各气体释放口41a呈喷淋状供给到反应室61内。被供给到反应室61内的原料气体的分子，吸附在载置台11上的晶片W的表面。然后，控制装置100停止从气体供给部51供给原料气体。
接着，控制装置100执行第一吹扫步骤(S103)。在第一吹扫步骤中，从气体供给部51将非活性气体经由气体供给管50和气体供给管44供给到等离子体生成室42和气体扩散室41。被供给到等离子体生成室42和气体扩散室41内的非活性气体，经由分隔板40的贯通孔40a和第二板电极60的贯通孔60a呈喷淋状供给到反应室61内。利用被供给到反应室61的非活性气体，除去过剩地吸附于晶片W的表面的原料气体的分子。然后，控制装置100停止从气体供给部51供给非活性气体。
接着，控制装置100执行反应步骤(S104～S106)。在反应步骤中，从气体供给部51将反应气体经由气体供给管50供给到等离子体生成室42(S104)。被供给到等离子体生成室42内的反应气体在等离子体生成室42内扩散。
然后，控制装置100控制第一高频电源20、开关25、第二高频电源46和开关45，对上部电极30和第一板电极43施加高频电功率(S105)。此外，控制装置100将开关23控制为接通，使从直流电源22供给的规定大小的负直流电压叠加到高频电功率(S106)。由此，在等离子体生成室42中，生成反应气体的等离子体。所生成的等离子体中的活性种，经由分隔板40的贯通孔40a和第二板电极60的贯通孔60a供给到反应室61内。被供给到反应室61内的活性种与晶片W上的原料气体的分子反应，由此在晶片W上形成膜。然后，控制装置100停止从气体供给部51供给反应气体。此外，控制装置100控制第一高频电源20、第二高频电源46，停止对上部电极30和第一板电极43施加高频电功率，将开关25、开关45控制为断开。此外，控制装置100将开关23控制为断开，由此停止从直流电源22对上部电极30施加负直流电压。
接着，控制装置100执行第二吹扫步骤(S107)。在第二吹扫步骤中，从气体供给部51将非活性气体经由气体供给管50和气体供给管44供给到等离子体生成室42和气体扩散室41。被供给到等离子体生成室42和气体扩散室41内的非活性气体，经由分隔板40的贯通孔40a和第二板电极60的贯通孔60a呈喷淋状供给到反应室61内。利用被供给到反应室61的非活性气体，除去保留在晶片W的表面的反应气体和挥发性的反应副产物。然后，控制装置100停止从气体供给部51供给非活性气体。
接着，控制装置100判断步骤S102～S107的处理是否反复了规定次数(S108)。在步骤S102～S107的处理没有反复规定次数的情况下(S108：否(No))，控制装置100再次执行步骤S102所示的处理。另一方面，在步骤S102～S107的处理反复了规定次数的情况下(S108：是(Yes))，打开闸门G，利用未图示的机械臂，将晶片W从处理容器10送出(S109)。然后，本流程图所示的成膜处理结束。
另外，等离子体处理装置1可以从第三高频电源76对载置台11如下述那样供给高频电功率来进行薄膜的改性处理、各向异性蚀刻、原子层蚀刻。例如，等离子体处理装置1通过在反应室61中生成等离子体，实施直接使用等离子体的薄膜的改性处理。例如，通过对反应室61供给H2/Ar气体并且生成等离子体，能够改善SiN的膜质。具体而言，蚀刻速率变低。各向异性地照射H离子，使图案的上表面、底面的蚀刻速率降低，由此，如图4的(A)所示即使不使膜厚变厚，利用各向同性蚀刻也能够实现图4的(A)的形状。改性处理的时机考虑S102之后、S103之后、S106之后、S107之后或者它们组合。此外，改性处理可以按步骤S102～S107每次循环实施，也可以几次循环实施一次或者在成膜后实施一次。此外，等离子体处理装置1通过在反应室61中生成等离子体，能够实施直接使用等离子体的各向异性蚀刻。此外，等离子体处理装置1通过在反应室61中生成等离子体，能够实施直接使用等离子体的原子层蚀刻。
如以上所述，本实施方式的等离子体处理装置1包括处理容器10、分隔板40、第二电极(上部电极30)和电功率供给部(第一高频电源20、开关45、第二高频电源46等)。分隔板40为绝缘性，将处理容器10内的空间分隔为用于载置被处理体(晶片W)的反应室61和用于生成等离子体的等离子体生成室42。此外，分隔板40在等离子体生成室42侧的面设置第一电极(第一板电极43)，形成有用于将在等离子体生成室42内生成的等离子体所包含的活性种供给到反应室61的多个贯通孔40a。第二电极与第一电极相对地配置在等离子体生成室42。在等离子体生成室42中生成等离子体时，电功率供给部对第一电极和第二电极中的任一者供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率。由此，等离子体处理装置1能够调整对被处理体照射的离子的密度。
另外，电功率供给部对第一电极供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率，并且，对第二电极供给单一频率的高频电功率。由此，等离子体处理装置1能够控制性良好地控制离子穿透率，能够调整侵入反应室61内的离子密度。
另外，电功率供给部对第二电极供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率和单一频率的高频电功率，并且将第一电极接地(GND48)或者连接到LC电路47。由此，等离子体处理装置1能够调整离子的遮挡量，此外能够进行自由基的解离控制。
另外，电功率供给部对第二电极供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率，并且将第二电极接地或者连接到LC电路47。由此，等离子体处理装置1能够调整离子的遮挡量，此外能够进行自由基的解离控制。
另外，电功率供给部对第二电极供给单一频率的高频电功率，并且对第一电极供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率。由此，等离子体处理装置1能够调整离子的遮挡量，此外能够进行自由基的解离控制。
另外，电功率供给部将第二电极接地(GND29)或者连接到LC电路28，并且对第一电极供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率和单一频率的高频电功率。由此，等离子体处理装置1能够控制性良好地控制离子穿透率，能够调整侵入反应室61内的离子密度。
另外，电功率供给部将第二电极接地(GND29)或者连接到LC电路28，并且对第一电极供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率。由此，等离子体处理装置1能够控制性良好地控制离子穿透率，能够调整侵入反应室61内的离子密度。
另外，等离子体处理装置1还包括气体供给部51。气体供给部51将成膜的原料气体供给到反应室61使原料气体的分子吸附到被处理体的表面后，将与原料气体的分子反应的反应气体供给到等离子体生成室42。与从气体供给部51的反应气体的供给同步地(相应地)，电功率供给部对第一电极和第二电极中的任一者供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率，生成反应气体的等离子体。由此，等离子体处理装置1能够抑制发生所成膜的膜的侧壁的薄膜化、膜质降低的情况。
另外，气体供给部51将原料气体供给到分隔板40。分隔板40在反应室61侧的面形成有释放从气体供给部51供给的原料气体的多个气体释放口41a。由此，等离子体处理装置1能够抑制原料气体流向制等离子体生成室42，能够抑制在等离子体生成室42内形成膜。
另外，等离子体处理装置1还包括抑制部(第二板电极60)。抑制部设置在反应室61内，能够抑制离子经由多个贯通孔40a从等离子体生成室42侵入反应室61。由此，等离子体处理装置1能够抑制离子向反应室61的侵入。
以上，对实施方式进行了说明，但本次公开的实施方式在所有方面均为例示而不应该认为是限制性的。实际上，上述的实施方式能够以各种方式实现。此外，上述的实施方式在不脱离权利要求书及其主旨的情况下，能够以各种方式省略、替换、改变。
例如，在实施方式中，以将被处理体作为半导体晶片的情况为例进行了说明，但并不限定于此。被处理体也可以为玻璃基片等其他基片。
另外，在上述的实施方式中，对在分隔板40设置有前体供给用的气体供给管44、气体扩散室41的情况进行了说明，但并不限定于此。也可以在分隔板40不设置气体供给管44、气体扩散室41和气体释放口41a，而仅使用气体供给管50交替地供给前体、反应气体、吹扫气体。此外，在上述的实施方式中，在S103和S107的吹扫步骤结束的阶段使吹扫气体停止，但是，也可以在从S102至S108的所有步骤中使吹扫气体一直流动。此外，在上述的实施方式中，在S104中开始供给反应气体，在S106结束的阶段停止供给反应气体，但是，例如，也可以在如基于等离子体ALD的SiO2成膜处理中的氧气那样不形成等离子体的状态下，对前体使用非活性的气体作为反应气体的情况下，在从S102至S108的所有步骤中使反应气体一直流动。
另外，在上述的实施方式中，以使处理容器10为有底且上方开口的大致圆筒状的形状，并利用上部电极30和绝缘部件33将处理容器10的上方的开口封闭的情况为例，进行了说明，但是并不限定于此。也可以为，处理容器10的上方被绝缘部件封闭开口，在封闭的绝缘部件的内面侧配置上部电极30。
另外，关于上述的实施方式的等离子体处理装置1，以在生成等离子体时对上部电极30供给负直流电压的情况为例进行了说明，但是并不限定于此。也可以不对上部电极30供给负直流电压。
另外，上述的实施方式的等离子体处理装置1是对晶片W进行等离子体ALD的装置，但是，本发明的技术也能够应用于成膜装置以外的等离子体处理装置。作为成膜装置以外的等离子体处理装置，例如能够例举对晶片W进行蚀刻的等离子体蚀刻装置、表面改性处理装置。
附图标记说明
1 等离子体处理装置
10 处理容器
20 第一高频电源
30 上部电极
40 分隔板
40a 贯通孔
42 等离子体生成室
43 第一板电极
45 开关
46 第二高频电源
48 GND
47 LC电路
51 气体供给部
60 第二板电极
61 反应室
W 晶片。
Claims (10)
1.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：
处理容器；
绝缘性的分隔板，其将所述处理容器内的空间分隔为载置被处理体的反应室和生成等离子体的等离子体生成室，在所述等离子体生成室侧的面设置第一电极，形成有用于将在所述等离子体生成室内生成的等离子体所包含的活性种供给到所述反应室的多个贯通孔；
与所述第一电极相对地配置在所述等离子体生成室的第二电极；
电功率供给部，在所述等离子体生成室生成等离子体时，所述电功率供给部对所述第一电极和所述第二电极中的任一者供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率；和
气体供给部，其将要成膜的原料气体供给到所述反应室，使所述原料气体的分子吸附于所述被处理体的表面后，将与所述原料气体的分子反应的反应气体供给到所述等离子体生成室，
与从所述气体供给部的反应气体的供给同步地，所述电功率供给部对所述第一电极和所述第二电极中的任一者供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率，来生成所述反应气体的等离子体。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述电功率供给部对所述第一电极供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率，并且对所述第二电极供给单一频率的高频电功率。
3.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述电功率供给部对所述第二电极供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率和单一频率的高频电功率，并且将所述第一电极接地或者连接到LC电路。
4.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述电功率供给部对所述第二电极供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率，并且将所述第一电极接地或者连接到LC电路。
5.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述电功率供给部对所述第一电极供给单一频率的高频电功率，并且对所述第二电极供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率。
6.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述电功率供给部将所述第二电极接地或者连接到LC电路，并且对所述第一电极供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率和单一频率的高频电功率。
7.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述电功率供给部将所述第二电极接地或者连接到LC电路，并且对所述第一电极供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率。
8.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述气体供给部将所述原料气体供给到所述分隔板，
所述分隔板在所述反应室侧的面形成有释放从所述气体供给部供给的所述原料气体的多个气体释放口。
9.如权利要求1~8中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于：
还包括抑制部，其设置在所述反应室，能够抑制离子经由多个所述贯通孔从所述等离子体生成室侵入所述反应室。
10.一种等离子体处理方法，其特征在于：
将要成膜的原料气体供给到反应室，使所述原料气体的分子吸附于被处理体的表面后，将与所述原料气体的分子反应的反应气体供给到等离子体生成室，其中，所述反应室和所述等离子体生成室是由形成有多个贯通孔的绝缘性的分隔板将处理容器内的空间分隔为载置所述被处理体的反应室和生成等离子体的等离子体生成室而得到的，
与所述反应气体的供给同步地，对第一电极和第二电极中的任一者供给将多个频率的高频电功率进行相位控制并叠加而成的高频电功率，来生成所述反应气体的等离子体，其中，所述第一电极设置于所述分隔板的所述等离子体生成室侧的面，所述第二电极与所述第一电极相对地配置在所述等离子体生成室。
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
| JP2019055552A JP7190948B2 (ja) | 2019-03-22 | 2019-03-22 | プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 |
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|---|---|
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN101042992A (zh) * | 2006-03-24 | 2007-09-26 | 东京毅力科创株式会社 | 半导体处理用的立式等离子体处理装置 |
| CN105379428A (zh) * | 2013-08-09 | 2016-03-02 | 东京毅力科创株式会社 | 等离子体处理装置和等离子体处理方法 |
| CN109216182A (zh) * | 2017-06-29 | 2019-01-15 | 东京毅力科创株式会社 | 等离子体处理方法和等离子体处理装置 |
Patent Citations (3)
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