CN1531012B

CN1531012B - 等离子体处理方法及等离子体处理装置

Info

Publication number: CN1531012B
Application number: CN200410008444.6A
Authority: CN
Inventors: 森本保; 村上贵宏
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2024-03-10
Also published as: US20090291564A1; US20050000654A1; JP4336124B2; US8574446B2; CN1531012A; JP2004273797A

Abstract

本发明提供一种等离子体处理方法，其特征在于，包括施加第一高频电力的上部电极(12)、施加第二高频电力的下部电极(13)和调节该两电极(12、13)的间隔的升降机构(14)，在使用在上部电极(12)上施加第一高频电力进行等离子体点火的等离子体处理装置对下部电极(13)上的晶片(W)实施等离子体处理之际，至少在等离子体熄灭时，使上下两电极(12、13)的间隔设定得比等离子体处理时宽。

Description

等离子体处理方法及等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及等离子体处理方法及等离子体处理装置，更详细地说，涉及使用平行平板型等离子体处理装置等的等离子体处理装置可以降低对被处理体实施等离子体处理之际的充电损伤(Chargingdamage)的等离子体处理方法及等离子体处理装置。

背景技术

作为该种技术，众所周知有例如专利文献1～3所述的技术。在专利文献1中，提出了等离子体发生方法及等离子体发生装置。在这种情况下，包括施加高频电力的电压施加用电极、接地电极和可变地调节这两者间距离的距离调节机构，在电压施加用电极上施加电压时，缩短电压施加用电极和接地电极之间的距离，直到根据帕邢定律(paschen’s law)容易点火的距离，另一方面，在发生等离子体之后，通过将两电极间距离设定得较长，兼顾了高蚀刻性和低损伤性。

由于设置上下电极间的距离调节机构而使得机构上变得复杂，所以在专利文献2中提出了不需要距离调节机构的等离子体处理装置。在这种情况下，具有相互绝缘且分别连接另外的高频电源的两个电极，与这些电极对置的接地电极之间的电极间距离不同，在这样的等离子体处理装置中，通过在放电刚刚开始后，停止电极间距离宽的电极的高频电力，即使在进行高速蚀刻的情况下，也可以在低电压下容易开始放电。即，在等离子体点火时和等离子体处理时使用不同的电极。

此外，在专利文献3中提出了对上下两电极分别施加高频电力的双频施加方式的等离子体处理装置，在这种情况下，通过控制对上下两电极的高频电力的ON、OFF的定时，可以减轻充电损伤。

[专利文献1]特开平7-201496号公报(权利要求3、权利要求9、段落[0010]、段落[0031]及段落[0037])。

[专利文献2]特开昭61-265820号公报(权利要求1、第2页右上栏第6行～第13行、第3页在左上栏第5行～同页左下栏第2行及发明效果栏)。

[专利文献3]专利第3113786号公报(权利要求1、权利要求2、段落[0029]及段落[0030])。

可是，现有的等离子体处理方法，如在专利文献1、2中提出的那样，在等离子体点火时及等离子体处理中使上下两电极间的距离分别最佳化，兼顾减轻充电损伤和等离子体处理最佳化，然而，由于其后的半导体器件的微细化、薄膜化的急剧进展及与此相伴的等离子体处理装置的进展，只在等离子体点火时和等离子体处理中使各自的电极间距离最佳化，对于防止充电损伤是有一定限度的。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而提出的，其目的是即使在器件微细化、薄膜化有了进展的情况下，也可以提供防止对被处理体的充电损伤的等离子体处理方法及等离子处理装置。

本发明人等为了从根本上重新认识现在的充电损伤，例如使用在上下两电极分别施加使频率各异的高频电力的双频施加方式的平行平板型等离子体处理装置，使上下两电极间距离最佳化，在该状态下，在晶片上进行等离子体点火、等离子体处理(蚀刻)及等离子体熄灭，研究天线MOS(天线比100万倍)的耐压分布，其结果是，如图5斜线所示，产生在晶片的中心部及周边部的器件上因栅极绝缘膜的绝缘破坏造成的废品，所以停留在45％的成品率。

因此，本发明人等，使用在各器件上具有图6所示的电位传感器(参照该图的(a))、电流传感器(参照该图的(b))及UV传感器的チヤ一ム(注册商标)-2晶片(Wafer Charging Monitors社制)作为晶片充电监控器，研究因充电损伤造成的废品发生状况。各传感器在表面具有CCE(Charging Collection Electrode：电荷收集电极)，作为各传感器记录部分的EEPROM分别初始设定在规定电位。其结果是，通过电位传感器判断在晶片周边部为充正电荷，在其中心为充负电荷。此外，通过电流传感器判断在晶片周边部流过正电流，在其中心部流过负电流，在晶片周边部及中心部产生栅极氧化膜的绝缘破坏。

此外，使用チヤ一ム-2晶片，研究上部电极和下部电极之间间隔和充电关系，结果判别为：上下电极的间隔越大，则越可以减轻充电损伤。然而，扩宽上下两电极间的间隔和加工性能(均匀性、蚀刻速率、蚀刻形状等)具有折衷的关系，在仅扩宽两电极的间隔的情况下，不能兼顾充电损伤和加工性能。

因此，使上下两电极间的距离设定在最佳值，对具有MOS器件的晶片进行等离子体处理，求出晶片的处理时间和从等离子体中供给至MOS器件的电荷量(电流)的关系，结果判断是用图7的点划线所示的模型所表示的情形。根据该图，可以得到从A点到D点的电流值对时间的积分值，作为器件的充电量。在图7中，A点表示高频电力的施加时刻，B点表示点火时刻，C点表示因高频电力的停止造成的等离子体熄灭时刻，D表示等离子体处理终止时刻，B点和C点之间表示等离子体处理时间。

如图7所示，判断为：从高频施加时(A点)至等离子体熄灭时(B点)的期间不用说，在从等离子体熄灭时(C点)至等离子体处理终止(D点)为止的期间，也存在颇多的充电，这些充电对充电损伤的影响较大。由该情形发现：通过使从高频施加时(A点)至等离子体点火时(B点)的期间及从等离子体熄灭时(C点)至等离子体处理终止(D点)的期间的电流，如该图箭头所示，从点划线到实线下降，想办法降低全体的充电量，由此，可以抑制晶片面内的正、负充电量的不均匀，可以防止或者格外地减轻栅极氧化膜的绝破坏等的充电损伤。

本发明是根据上述发现提出的，本申请发明的第1方面所述的等离子体处理方法，其特征在于，在使用由等离子体发生装置进行等离子体点火的等离子体处理装置对被处理体实施等离子体处理之际，至少在等离子体熄灭前，降低上述被处理体所接受的电荷量。

本发明的第2方面所述的等离子体处理方法，其特征在于，上部电极和下部电极的间隔是可以调节的，使用至少在上述上下两电极的任一方上施加高频电力进行等离子体点火的等离子体处理装置、对上述下部电极上的被处理体实施等离子体处理之际，在等离子体点火及熄灭时，使上述间隔比等离子体处理时宽。

本发明的第3方面所述的等离子体处理方法，其特征在于，在第2方面所述的发明中，在上述上部电极上施加第一高频电力，在上述下部电极上施加具有比第一高频电力的频率低的第二高频电力。

本发明的第4方面所述的等离子体处理方法，其特征在于，在第2方面或第3方面所述的发明中，在扩宽上述间隔之际，使上述下部电极向离开上述上部电极的方向移动。

本发明的第5方面所述的等离子体处理方法，其特征在于，在第3方面或第4方面所述的发明中，在切断上述第二高频电力之后切断上述第一高频电力。

本发明的第6方面所述的等离子体处理方法，其特征在于，在第1方面～第5方面中任一项所述的发明中，进行蚀刻，作为上述等离子体处理。

本发明的第7方面所述的等离子体处理装置，包括：载置被处理体的上部电极；在该上部电极下方并且对置的下部电极；升降该下部电极并调节与上述上部电极的间隔的调节机构；和至少在上述上下两电极的任一方上施加高频电力的高频电源；并且，在上述任一方的电极上施加上述高频电力，进行等离子体点火，其特征在于，上述调节机构具有在对上述下部电极上的被处理体实施等离子体处理之际，在等离子体点火及熄灭时，使上述间隔比等离子体处理时宽的驱动机构。

本发明的第8方面所述的等离子体处理装置，其特征在于，在第7方面所述的发明中，包括：在上述上部电极上施加第一高频电力的第一高频电源；在上述下部电极上施加具有比第一高频电力的频率低的第二高频电力的第二高频电源。

本发明的第9方面所述的等离子体处理方法，其特征在于，在第7方面或第8方面所述的发明中，上述调节机构具有使上述下部电极向离开上述上部电极的方向移动的驱动机构。

本发明的第10方面所述的等离子体处理装置的特征在于，在第8方面或第9方面所述的发明中，在切断上述第二高频电力之后切断上述第一高频电力。

本发明的第11方面所述的等离子体处理装置，其特征在于，在第7方面～第10方面中任一项所述的发明中，进行蚀刻，作为上述等离子体处理。

附图说明

图1是表示在本发明的等离子体处理方法中使用的等离子体处理装置的一实施方式的截面构造的构成图。

图2是说明图1所示的等离子体处理装置的等离子体处理过程中的下部电极移动的说明图，(a)是表示在等离子体点火时使上部电极和下部电极的间隔设定在比等离子体处理时的最佳间隔宽的状态的剖面图，(b)是表示使上部电极和下部电极的间隔设定在等离子处理时的最佳间隔的状态的剖面图，(c)是表示在等离子体熄灭时使上部电极和下部电极的间隔设定在比等离子体处理时的最佳间隔宽的状态的剖面图。

图3是表示第一、第二高频电力的施加、切断的定时的说明图。

图4是表示第一、第二高频电力的施加、切断的定时的说明图。

图5是示意性地表示通过使上下两电极间设定在最佳间隔的现有的等离子体处理方法处理的晶片废品的平面图。

图6是示意性地表示チヤ一ム-2晶片的传感器的剖面图，(a)是表示电位传感器的图，(b)是表示电流传感器的图。

图7是表示晶片的处理时间与供给至晶片的各器件的电荷量的关系的图。

符号说明：10等离子体处理装置，12上部电极，13下部电极，14升降机构(调节机构)，16气体供给源，18第一高频电源，23第二高频电源，W晶片(被处理体)。

具体实施方式

以下，根据图1～图4所示的实施方式，说明本发明。

首先，参照图1说明本发明方法中所用的等离子体处理装置的一例。本实施方式中使用的等离子体处理装置10，例如，如图1所示，包括：由铝等的导电性材料构成的处理室11；在该处理室11的上面配置的上部电极12；在该上部电极12的下方与其对置地配置且载置晶片W的下部电极13；升降该下部电极13并调节与上部电极12的间隔的升降机构(例如，汽缸)14。

上部电极12具有在整个下面分散形成的多个孔12A，以供给加工气体的喷头的形式来形成。在其上面的中央孔上连接有气体供给管15，而且，气体供给源16经由流量控制器17连接于上述气体供给管15。一边由流量控制器17控制该气体供给源16的加工气体的流量，一边将上述气体供给源16的加工气体供给至处理室11内。此外，利用匹配器19使第一高频电源18与上部电极12相连接，从第一高频电源18向上部电极12施加例如13.56～150MHz的第一高频电力。

在下部电极13内部设置冷却套等的温度调整装置20，通过该温度调整装置20可以使在下部电极13上保持的晶片W设定为所希望的处理温度。温度调整装置20具有用于使冷却剂在冷却套内循环的供给管21及排出管22，使调整为规定温度的冷却剂从供给管21向冷却套内供给，从排出管22把热交换后的冷却剂排出到外部。此外，第二高频电源23经由匹配器24与下部电极13相连接，从第二高频电源23向下部电极13施加例如400KHz～13.56MHz的第二高频电力(偏置)。再者，也可以在下部电极13内设置加热丝或珀耳帖(Peltier)元件以取代冷却套。

在下部电极13的上面载置静电卡盘25。该静电卡盘25例如使钨电极板25A介于由烧结或喷镀成形的陶瓷构成的层间。然后，可变直流电压源26经由滤波器27及导线28与钨电极板25A相连接，通过从可变直流电压源26向钨电极板25A施加直流高电压，使在下部电极13上载置的晶片W静电吸着在陶瓷层上。

在下部电极13的外周缘部配置环状的聚焦环29，由该聚焦环29包围在静电卡盘25上吸着保持的晶片W。该聚焦环29根据加工需要可有选择地使用绝缘性或导电性的材料，并起着封入反应性离子或者使其扩散的作用。而且，在处理室11和下部电极13之间贯穿地设置多个排气孔的排气环30配置于下部电极13上面的下侧，包围着下部电极13。通过该排气环30调整排气流的流动的同时，在上部电极12和下部电极13之间最佳地封入等离子体。

在下部电极13内，形成供给作为背侧气体的热传导性气体(例如He气)的流路(未图示)，该气体流路在晶片W的中心部及周缘部的多处开口，使背侧气体供给至静电卡盘25和晶片W之间，提高下部电极13和晶片W的热传导率，可以迅速地控制晶片W到规定的温度。

在处理室11的下部形成与真空排气装置(未图示)连接的排气部11A，由该真空排气装置将处理室11内抽成真空，在供给加工气体的状态下维持处理室11内在规定的真空度。气体供给源16具有多个气体供给源，从各气体供给源供给例如C₄F₈等氟碳系气体、一氧化碳(CO)气体、氧气(O₂)、氩气(Ar)等稀有气体等，作为蚀刻气体。各气体通过各自的流量控制器17进行流量控制，以所希望的流量比进行供给。

下面，参照图2、图3说明使用上述等离子体处理装置10的本发明的等离子体处理方法的一实施方式。在本实施方式中，对300mm的晶片W实施蚀刻。

为了进行蚀刻，预先设定处理室11的内周面、上部电极12及下部电极13的温度分别为50℃、30℃及10℃。在该状态下，首先如图2(a)所示，设定处理室11内的上部电极12和下部电极13的间隔比蚀刻晶片W时的最佳间隔(例如，17mm)还宽的间隔(例如，22mm)。接着，打开闸阀(未图示)把晶片W载置在处理室11内的下部电板13上之后，关闭闸阀。接着，从气体供给源16向处理室11内以规定的流量比(例如C₄F₈/CO/Ar/O₂＝20/40/550/12sccm)供给C₄F₈气、CO气、Ar气及O₂气，作为蚀刻气体，设定处理室11内的压力为40mTorr 。

在此期间，从可变直流电压源26对钨电极板25A施加直流高电压，使晶片W在下部电极13上吸着固定的同时，供给背侧气体(例如，He气)。设定此时的晶片W的中心部的背侧气体压力为12Torr的同时，设定晶片W的周缘部的背侧气体为20Torr，由下部电极13的温度调节装置20保持晶片W在规定温度。

施加直流高电压之后，例如15秒后，如图3中的①所示，首先，从第一高频电源18以2000W的电力在上部电极12上施加27MHz的第一高频电力，在上部电极12和下部电极13之间产生辉光放电，进行等离子体点火。从施加第一高频电力开始2秒后，如图3中的②所示，从第二高频电源23以1400W的电力在下部电极13上施加800KHz的第二高频电力，在下部电极13上产生偏置电位。此时，通过使在下部电极13上施加第二高频电力的定时比在上部电极12上施加第一高频电力的定时迟0.2～3秒，可以通过匹配器顺利地取得第二高频电力的匹配(matching)。此外，与在下部电极上施加第一、第二高频电力的情况同样，通过延迟第二高频电力，可以通过匹配器顺利地取得匹配。

在紧随其后的图3中的③所示的时刻，驱动升降机构14，使下部电极13上升，如图2的(b)所示，使与上部电极12的间隔达到作为最佳间隔的17mm，停止升降机构14，在该状态下，分别使第一、第二高频电力稳定在2000W、1400W，对晶片W实施蚀刻。

在进行规定时间的蚀刻后，在将要切断第一高频电源18之前的图3中的④所示的时刻，驱动升降机构14，使下部电极13下降，如图2(c)所示，与上部电极12的间隔达到22mm，使上部电极12和下部电极13的间隔变宽，升降机构14停止，如图3中的①、②所示，首先切断第一高频电源18，在其0.1秒后，切断第二高频电源23，进行等离子体熄灭，终止蚀刻。从终止蚀刻开始20秒之后，切断可变直流电压源26，解除静电卡盘25对晶片W的吸着之后，从处理室11内取出晶片W。在该晶片W上，器件的成品率为100％，没有因充电损伤产生的废品。

另外，为了与本实施方式加以比较，不下降下部电极13，在保持上部电极12和下部电极13的间隔为17mm这种最佳值的状态下，进行等离子体熄灭，除此以外，以与上述实施方式相同的要领进行晶片W蚀刻，其结果是，器件的成品率为99％，只稍微下降一点。而且，将上部电极12和下部电极13设定在作为最佳间隔的17mm，始终固定下部电极13，除此以外，以与上述实施方式相同的要领进行晶片W的蚀刻，其结果是，只得到77％的成品率。

在实施蚀刻之际，为了防止微粒在晶片W上的附着，如图4所示，通过将第一高频电源18分为两个阶段的降压顺序进行等离子体熄灭。因此，说明在本发明中采用降压顺序的实施方式。

在本实施方式中，除了通过降压顺序进行等离子体熄灭以外，以与上述实施方式相同的要领进行点火及等离子体处理。即，在通过降压顺序进行等离子体熄灭的情况下，例如，扩宽上部电极12和下部电极13的间隔从作为最佳间隔的17mm直到25mm之后，如图4所示，降低第一高频电力从2000W到200W，经其0.1秒后，切断第二高频电力。在降低第一高频电力至200W时，在降低蚀刻气体中的Ar气体流量从550sccm直到500sccm的同时，使处理室11内的压力从40mTorr上升到200mTorr，在该状态下对晶片W进行21秒钟的处理之后，完全切断第一高频电力，进行等离子体熄灭。其后的处理与上述实施方式是相同的。通过降压顺序处理的晶片W，器件的成品率为100％，没有因充电损伤产生的废品。图4中的①～④的定时相当于图3的①～④的定时。

为了与本实施方式加以比较，在等离子体熄灭时不扩宽上部电极12和下部电极13的间隔，保持作为最佳间隔的17mm，一直保持该状态，遵循降压顺序分两阶段(2000W→200W→0W)切断第一高频电力，进行等离子体熄灭，在此情况下，器件的成品率降低到44％，产生因充电损伤造成的废品。由此判断为，当采用降压顺序时，只在等离子体点火时扩宽上下两电极12、13的间隔，不能充分地抑制充电损伤。

如以上说明所述，根据本实施方式，使用等离子体处理装置10对晶片W实施等离子体处理之际，在等离子体点火(图3的从A点到B点的期间)及等离子体熄灭时(图3的从C点到D点的期间)，使下部电极13由等离子体处理时(图3的从B点到C点的期间)的上部电极12和下部电极13的最佳距离下降，设定上部电极12和下部电极13的间隔比等离子体处理时宽，因此，可以降低在等离子体点火时及等离子体熄灭时对晶片W的充电量，可防止晶片W的充电损伤。

根据本实施方式，由于使第一高频电力比第二高频电力后切断，所以尤其可以顺利地进行等离子体熄灭，更施加可靠地降低对晶片W的充电损伤的同时，可以防止微粒在晶片W上的附着。

在上述实施方式中，说明了使用分别逐个地在上部电极12及下部电极13上施加第一、第二高频电力的双频施加方式的等离子体装置10进行蚀刻的等离子体处理方法，但本发明不限于上述实施方式。例如，在本发明方法中可以使用在上下两电极的任一方电极上施加高频电力发生等离子体的等离子体处理装置或ECR(有磁场)型的等离子体处理装置。而且，在本发明的方法中也可以使用具备其它的等离子体发生装置的等离子体处理装置。本发明的等离子体处理方法对于CVD等蚀刻以外的等离子体处理也适用。本发明的要领是，在使用通过等离子体发生装置进行等离子体点火的等离子体处理装置对被处理体实施等离子体处理之际，至少在等离子体熄灭时降低上述被处理体接受的电荷量就可以。

[发明的效果]

根据本发明的第1方面～第11方面所述的发明，可以提供一种即使器件的微细化、薄膜化进一步发展也可以在等离子体处理时降低被处理体接受的电荷量、并且可抑制被处理体面内的正、负电荷量的不均匀、可以防止充电损伤的等离子体处理方法及等离子体处理装置。

Claims

1.一种等离子体处理方法，其特征在于：上部电极和下部电极的间隔是可以调节的，在所述上部电极上施加第一高频电力，在所述下部电极上施加频率低于第一高频电力的第二高频电力，对所述下部电极上的被处理体实施等离子体处理，

该等离子体处理方法按照如下顺序包括：

在向所述上部电极施加所述第一高频电力之后，开始向所述下部电极施加第二高频电力的工序；

缩窄所述上部电极和所述下部电极的间隔的工序；

在所述第一高频电力的施加值是第一处理时施加值、所述第二高频电力的施加值是第二处理时施加值的状态下，实施等离子体处理的工序；

扩宽所述上部电极和所述下部电极的间隔的工序；

使向所述上部电极施加的所述第一高频电力的施加值低于所述第一处理时施加值的工序；

使向所述下部电极施加的所述第二高频电力的施加值由所述第二处理时施加值变为零、停止施加所述第二高频电力的工序；和

使向所述上部电极施加的所述第一高频电力的施加值变为零、停止施加所述第一高频电力的工序。

2.根据权利要求1所述的等离子体处理方法，其特征在于：在扩宽所述间隔之际，使所述下部电极向离开所述上部电极的方向移动。

3.一种等离子体处理装置，包括：载置被处理体的下部电极；在该下部电极上方并且对置的上部电极；升降该下部电极并调节与所述上部电极的间隔的调节机构；向所述上部电极施加第一高频电力的第一高频电源和向所述下部电极上施加频率低于第一高频电力的第二高频电力的第二高频电源，其特征在于，该等离子体处理装置按照如下顺序来构成：

在所述第一高频电源开始向所述上部电极施加所述第一高频电力之后，所述第二高频电源开始向所述下部电极施加所述第二高频电力，

所述调节机构缩窄所述上部电极和所述下部电极的间隔，

在所述第一高频电力的施加值是第一处理时施加值、所述第二高频电力的施加值是第二处理时施加值的状态下，实施等离子体处理，

所述调节机构扩宽所述上部电极和所述下部电极的间隔，

所述第一高频电源使向所述上部电极施加的所述第一高频电力的施加值低于所述第一处理时施加值，

所述第二高频电源使向所述下部电极施加的所述第二高频电力的施加值由所述第二处理时施加值变为零，停止施加所述第二高频电力，

所述第一高频电源使向所述上部电极施加的所述第一高频电力的施加值变为零，停止施加所述第一高频电力。

4.根据权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述调节机构具有使所述下部电极向离开所述上部电极的方向移动的驱动机构。