TW589675B - Plasma treatment device and plasma treatment method - Google Patents
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589675 Λ 7 _·___Β7 五、發明説明(1 ) <發明之領域> 本發明係關於電漿處理裝置及處理方法,特別是關於 適用於半導體製造工程之形成細微圖案之電漿處理裝置及 電漿處理方法。 <先前之技術> 於半導體製造工程中,蝕刻、成膜、去灰等之細微加 工製程,廣泛使用電漿處理裝置。利用電漿處理之製程, 係將導入到真空處理室(反應室)製程氣體,利用電漿產 生手段予以電漿化,於半導體晶圓表面產生反應,進行細 微加工,同時,將揮發性之反應生成物予以排氣,以此來 進行一定之處理者。 此電漿處理製程中,反應室內壁或晶圓之溫度、或對 於內壁之反應生成物之堆積狀態,會對製程產生很大之影 響。又,.如果反應室內部所堆積之反應生成物剝離,則會 成爲造成灰塵之原因,造成元件特性之裂化或生產良率降 低。因此,於電漿處理裝置上,爲了使製程保持安定且抑 制異物產生,控制反應室內部之溫度或控制表面生成物之 堆積,是很重要的。 例如,日本之特開平8 — 1 4 4 0 7 2號公報,記載 著以提高矽氧化膜之乾蝕刻工程之選擇比爲目的,而將反 應室內部之各部之溫度,控制保持於比蝕刻階段之溫度還 高1 5 0 °C以上之1 5 0 °C以上3 0 0 °C以下(較理想者 爲2 0 0 °C以上2 5 0 °C以下)之高溫度値,保持於 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X 297公釐) -4 - I--------裝------.---II------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 589675 Λ7 _._B7 五、發明説明(2 ) ± 5 °C以內之精度之乾蝕刻裝置。像這樣,將反應室內面 各部之溫度,加熱控制成高溫,使反應室內面之電漿聚合 物之附著量減少,半導體晶圓上之電漿聚合物之附著量增 加,選擇比提高。 又,同樣地,日本特開平5 — 2 7 5 3 8 5號公報, 記載著於平行板式之電漿處理裝置中,在挾持環(被處理 體保持手段)、聚磁環(電漿集中手段)之至少其中一方 ,設置使溫度上升、維持於電漿處理所產生之反應生成物 不會附著之溫度之加熱手段。使用電阻發熱體作爲加熱手 段。由於藉由加熱可以防止反應生成物之附著,所以,反 應生成物之剝離,或者被處理體表面之微粒之附著被減低 了。 但是,像上述這樣,將真空處理室內壁面加熱,設定 成2 0 0 °C〜2 5 0 °C左右以上之高溫時,蝕刻特性變成 對於內壁表面之溫度非常敏感,會有製程之再現性、信賴 性容易降低之問題產生。 例如,S.C· McNevin et al·、J. Vac. Sci. Technol. B 15(2) Mar/Apr 1997 4 Chemical challenge of submicron oxide etching 中顯示出,於感應親合式之電漿中’側·壁 溫度從2 0 0 °C變化成1 7 0 °C時,氧化膜鈾刻率增加5 %以上,即,爲了獲得安定之製程特性,反應室內表面之 溫度必需表持於2 5 0 t ± 2 °C之高精度。 但是,由於真空處理室之內壁面曝曬於高密度之電獎 中,要將壁面之溫度於這樣高溫領域高精度地控制’是不 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 線 本紙蒗尺度適用中國國家標準(〇奶)人4規格(2丨0>< 297公釐) _5 - 589675 Λ7 B7 五、發明説明(3 ) 容易的。溫度控制變成需要使用高精度之臨場(in-situ ) 溫度檢測手段、或加熱燈管等之加熱手段。溫度之機構· 手段變成大規模化,裝置會會複雜化,導致成本增加。又 ,於2 0 0 °C以上之高溫領域,所能使用之材料有所限制 ,此也是問題。 關於此點,本案之申請人,於同一申請人之日本特開 平1 1 — 3 4 0 1 4 9號公報特願平1 0 -1 4 7 6 7 2號)中揭示,以一個有磁場UHF帶電磁波 放射放電方式之電漿鈾刻裝置作爲一實施例,將真空處理 室內壁面之溫度,設定於1 0 0 t以下之溫度範圍,使製 程對於溫度變化變的不敏感,可已獲得於 ± 1 〇 °C左右 之溫度度精度也很安定之製程再現性。 又,於同一申請案中揭示,對於接觸電漿之構成構件 (或內壁面),以至少於一部份上施加偏壓,且使熱容量 變小,以使構成構件之溫度爲1 5 0 °C以上2 5 0 °C以下 ,而可以達成構成構件之溫度變動小到對於製程實質上不 會有影響之位準。 更者,本案之申請人,於同一申請人之日本特願平 1 1 — 2 3 2 1 3 2中提案,對於試料之外側部所設之砂 製之聚磁環,施加沉澱物不會堆積之強度以上之偏壓,且 使表面溫度爲1 5 0 °C以上,矽表面之反應溫度依存性變 小,變的安定,可以確保製程再現性。 但是,於上述案件申請之時,針對面向試料晶圓之上 部天線(或上部電極或天版)所設置之板,對製程安定性 悵尺度適用令.國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) ~- ^衣 · J 訂 Λ^. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589675 Λ 7 Β7 五、發明説明(4 ) 影響較大者,針對其所達成之目的,係僅藉由施加偏壓使 反應生成物不會堆積而達製程之安定,並沒有到達完全理 解其作用機制或將其必要條件定量化者。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) <解決問題之手段> 因此,站在相關技術之立足點,本案發明者們,針對 解決上述之課題,進行無數次之精心硏究之結果,對於與 試料晶圓面對之板,找到製程安定性之確保所必要之溫度 範圍或精度或偏壓施加所造成之表面狀態之控制之要件, 而想到本發明。 本發明係,依據本案發明者所發現之現象而寫成者, 以提供能獲得具有良好之安定性•再現性之製程特性之電 漿處理裝置及處理方法爲目的。 本發明係一種電漿處理裝置,係具有:真空處理室, 及將氣體供給該真空處理室之處理氣體供給手段,及將在 真空處理室內被處理之試料予以保持著之電極,及面對上 述試料而被設置於該真空處理室之電漿產生裝置,及將該 真空處理室予以減壓之真空排氣系;其特徵爲:上述電漿 產生裝置,係具有被設置於處理室內側之矽製之板,對於 該矽製之板,施加V d c = — 5 Ο V以上—3 Ο Ο V以下 之偏壓電壓,且,使上述板之表面溫度爲1 〇 〇°C以上 2 0 0 °C以下之範圍。 本發明之其他特徵爲,使上述電漿處理裝置之矽製之 板之表面溫度之變動爲± 2 5 °C以內。 本發明之其他之特徵爲,於上述之電漿處理裝置,其 本紙張尺度國家g隼(CNS ) A4規格(210><297公慶1 ~~ " 一 589675 A7 B7 五、發明説明(5 ) 中上述電漿產生裝置,爲300 MHz到1 GHz之有磁場 或無磁場UHF帶電磁波放射放電方式;上述矽製之板之 電阻率爲1Ω · cm以上20Ω· cm以下之範圍,較理 想者爲1 0Ω · cm以下,更理想者爲5Ω · cm左右, 且,上述矽製之板之厚度爲5mm以上2 0mm以下,較 理想者爲10mm以下。 依據本發明,藉由對於面對試料被配置之矽製之板之 溫度調節與偏壓之施加,使矽表面之反應之溫度依存性變 小,對於上述板之表面溫度之±2 5 °C以內之範圍之變動 ’電漿狀態汲製程特性安定化,所以,可以實現具有良好 安定性•再現性之製程特性之電漿處理裝置及電漿處理方 法。 又,依據本發明之特徵,對於U H F帶電磁波之矽製 之板內部所傳播之U H F帶電磁波之表皮厚度與矽板之厚 度大約相等,U H F帶電磁波所造成之.電流過板全體,所 以,矽自身之內部電阻所產生之自身發熱,可以使板效率 良好地加熱,因此,可以將矽製之板之表面溫度設定於, 對於溫度變動之表面反應之溫度依存性變小之1 〇 〇 °C以 上2 0 0 °C以下之範圍,電漿狀態及製程特性會安定化, 所以,可以實現具有良好安定性•再現性之製程特性之電 獎處理裝置及電發處理方法。 <圖示簡單說明> 圖1係將本發明應用於有磁場UHF帶電磁波放射放 I--------裝--.--1—訂------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙浪尺度適用中.國國家標隼(CNS ) A4規格(210X297公釐) ·8 - 589675 Λ7 B7 五、發明説明(6〉 電方式之電漿蝕刻裝置之第1實施例之縱剖面圖模式圖。 圖2係第1實施例之天線構造之實施例之縱剖面模式 圖。 圖3係表示評價第1實施例之板之消耗率之結果之圖 〇 圖4係表示第1實施例之板之溫度變動之圖。 圖5係表示第1實施例之定常狀態之板之溫度變動圖 〇 圖6係表示1實施例中板之電阻率不同時之溫度變動 之圖。 圖7係表示將本發明應用於有磁場UHF帶電磁波放 射放電方式之電漿蝕刻裝置之第2實施例之縱剖面圖模式 圖。 圖8係表示第2實施例之板之溫度變動之圖。 圖9係表示第2實施例之電漿發光、放電電壓、天線 偏壓之時間變化圖。 圖1 0係表示第2實施例中測定對於蝕刻量及蝕刻率 之蝕刻時間之依存性之結果之圖。 <符號之說明> 10 0 處理室 10 1 磁場形成手段 10 2 側壁 103 側壁單元 ^^:尺度適用中.國國家標隼(〇奶>人4規格(210/ 297公釐) :r9Z " ' I--------^衣----------、玎------# (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 589675 A7 B7 五、發明説明(7 ) 10 4 熱 媒 體 供 給 手 10 5 .真 空 室 10 6 真 空 排 氣 系 10 7 壓 力 控 制 手 段 11 0 天 線 11 1 圓 板 狀 導 電 體 11 2 介 質 11 3 介 質 環 11 5 板 11 6 外 周 環 12 1 天 線 電 源 12 1 天 線 電 源 12 2 天 線 偏 壓 電 源 13 0 下 部 電 極 13 1 靜 電 吸 著 裝 置 14 1 偏 壓 電 源 14 4 直 流 電 源 14 5 濾 波 器 I--------批衣-------- ^------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 <實施例> 以下,依據圖面,說明本發明之實施例。 圖1係將本發明應用於有磁場UHF帶電磁波放射放 電方式之電獎餓刻裝置之貫施例,該電漿軸刻裝置之,縱音|] 面圖之模式圖。 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS)Α4規格(2丨0X297公釐) -10- 589675 A7 _.___ B7 五、發明説明(8 ) 於圖1中,處理室1 00係可以達成1 〇_6 Ton·左 右之真空度之真空容器,於其上部具備有放射電磁波之天 線1 1 0,於其下部具有載置晶圓之試料W之下部電極 1 3 0。天線1 1 0及下部電極1 3 0,係被設置成平行 對向之形狀。於處理室1 0 0之周圍,設置有例如電磁線 圏及轭所形成之磁場形成手段1 0 1。藉由由天線1 1 〇 所放射出之電磁波與磁場形成手段1 0 1所形成之磁場之 相互作用,使被導入處理室內部之處理氣體電漿化,使產 生電漿P,處理被載置於下部電極1 3 0之試料W。 另一方面,處理室1 0 〇,係藉由連接於真空室 105之真空排氣系106,被真空排氣,藉由壓力控制 手段1 0 7,使壓力被控制。處理壓力,係被調整爲 0 · 1 Pa以上1 〇 pa以下,理想者爲〇 · 5 Pa以上4
Pa以下之範圍。處理室1 〇〇及真空室1 〇 5 ,係成爲 接地電位.。處理室1 〇 〇之側壁1 〇 2,被以可交換之方 式設置具有溫度控制機能之側壁內單元1 〇 3。側壁內單 元 1 0 3 ’係藉由從熱媒體供應手段1 〇 4被循環供給熱媒 體,使處理室內表面之溫度被控制。或藉由加熱器之加熱 機構與溫度檢測手段之回饋控制,來控制溫度也可。溫度 控制範圍,係〇 °c〜1 〇 〇 °C、較理想者爲2 0 〜 8 0 °C,於± 1 〇 °c以內之精度被控制。處理室1 〇 〇之 側壁1 0 2、側壁單元1 0 3,較理想者係以不含重金屬 之熱傳導性良好之例如鋁等之非磁性金屬材料,於其表面 ^^尺度適用'^'5^1家標隼(〇奶)/\4規格(210>< 297公釐) :11 - "~~^ ---------^.------.--IT------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589675 A7 B7 五、發明説明(9 ) ,塗上耐電漿性之防蝕鋁等之表面處理。 真空容器之上部所設置之天線1 1 0,係由圓板狀導 電體1 1 1、介質1 1 2、介質環1 1 3所構成,被保持 於真空容器之一部份之框體1 1 4。又,接觸圓板狀導電 體1 1 1之電漿之側之面,被設置有板1 1 5 ,更者,於 其外側被設置有外周環1 1 6。圓板狀導電體1 1 1 ,藉 由未圖示之溫度控制手段、即於其內部循環之熱媒體,使 溫度維持於一定之値,相接於圓板狀導電體1 1 1之板 1 1 5之表面溫度被控制。進行試料之蝕刻、成膜等之處 理之處理氣體,係從氣體供給手段1 1 7,以具有一定之 流量及混和比而被供給,通過圓板狀導電體1 1 1與板 1 1 5所設之多數之孔,被控制成一定之分布,被供給到 處理室1 0 0。 天線1 1 0,與作爲天線電源1 2 0之天線電源 1 2 1、天線偏壓電源1 2 2,分別經由匹配電路•濾波 系123、124,而被連接,經由濾波125 被連接於接地。天線電源1 2 1 ,係供給3 0 0 MHz到1 GHz之UHF頻帶之電力。先使圓板狀導電體1 1 1之徑成爲某特性長度,而使例如Τ Μ 〇 1模式這樣之 固有之激勵模式被形成。於本實施例中,天線電源1 2 1 之頻率爲4 5 0 MHz,圓板狀導電體1 1 1之直徑爲3 3 0 m m 〇 一方面,天線偏壓電源1 2 2,係對於天線施加從數 10 KHz到數1 〇 MHz之範圍之頻率之偏壓電壓,藉此 本紙張尺度適用中國國家標隼(CNS )八4規格(2丨〇x 297公f ) ^12 - " ---------fi^------Γ- 丁_______良 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 589675 A7 B7 五、發明説明(10 ) ,控制些接於圓板狀導電體111之板115之表面之反 應。特別是,以高純度之矽作爲1 1 5之材質,於例如使 用C F系之氣體之氧化膜蝕刻中,控制板1 1 5之表面之 F基或C F X基之反應,可以調整基之組成比。於本實施 例中,天線偏壓電源爲頻率1 3 . 5 6 MHz、電力爲5 0 W到6 0 0 W。這時,板1 1 5藉由自我偏壓,產生偏壓 電壓V d c。該V d c之値雖然係依照電漿密度或壓力, 但是約爲V d 50V--300V。於本實施例中 ,與所謂平板型之容量結合方式之電漿裝置不同,使板1 1 5所產生之自我偏壓與電漿生成可以獨立控制之點,爲 其特徵。特別是,使偏壓電壓爲V d c = - 1 〇 〇左右以 下之低的値,藉此,抑制矽之消耗,減低運轉成本,或抑 制矽之濺射,可以減低對於試料W上之蝕刻殘渣。 板1 1 5之下面與晶圓W之距離(以下稱爲間隙), 爲3 Omm以上1 5 Omm以下,較理想者爲5 Omm以 上1 2 0mm以下。板1 1 5具有大面積,與試料相對, 所以,對於處理製程影響最大。使對於該板1 1 5面所方| 加之偏壓及溫度控制,爲某範圍,藉此使表面反應安定化 ,可以獲得再現性良好之製程特性,此爲本發明之主要| 眼電,關於此於後面再作詳細說明。 處理室1 0 0之下部,面對天線1 1 0,設置下部_ 極1 3 0。下部電極1 3 0,其例如供給從4 0 〇 KHz 到1 3 . 5 6 MHz之範圍之偏壓電力之偏壓電源1 4 1 , 經由匹配電路•濾波系1 4 2而被連接,控制施加於試# 本紙張尺度適用中.國國家標準(CNS ) A4規格 (210X297公釐) -13 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 、-口 線 589675 A 7 ^__ 五、發明説明() w之偏壓,同時,介由濾波器1 4 3連接於接地。本實施 例中,偏壓電源1 4 1之頻率爲8 0 0 KHz。 下部電極130係,介由靜電吸著裝置13 1 ,於其 上面,即試料載置面載 置保持晶圓等之試料W。靜電吸著裝置1 3 1 ,係於 其上面形成靜電吸著用介質層(以下,簡稱靜電吸著膜) ’從靜電吸著用之直流電源1 4 4與濾波器1 4 5,施加 數1 0 0 V〜數K V之直流電壓,以靜電吸著力,將試料 W吸著•保持於下部電極1 3 0上。靜電吸膜,係使用例 如氧化鋁或氧化鋁混和鈦氧化物之介質。又,靜電吸著裝 置1 3 1 ,係藉由未圖示之溫度控制手段,使其表面被控 制於一定之溫度。而,靜電吸著裝置1 3 1之表面,係被 供給惰性氣體、例如H e氣體被設定成一定之流量與壓力 而被供給,提高與試料W之間之熱傳達性。藉此,可以將 試料W表面之溫度,非常精確地控制於例如約1 0 〇 °C〜 1 1 0 °C之範圍。 靜電吸著裝置1 3 1之上面之試料w之外側部,係設 置有以高純度之矽所形成之環狀之構件之聚磁環1 3 2。 聚磁環1 3 2係藉由絕緣體1 3 3與靜電吸著裝置1 3 1 絕緣。電極之外側,係設有電極外周蓋1 3 4。絕緣體 1 3 3、電極外周蓋1 3 4,使用鋁或石英是適當的。於 本實施例中,絕緣體1 3 3、電極外周蓋1 3 4係使用鋁 。藉由這樣之構造,對於聚磁環1 3 2,可以將被施加於 下部電極之偏壓電力,經由絕緣體1 3 3,使一部分浅漏 I---------奸衣--·--j--IT-----1 0 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中.國國家標隼(CNS ) A4規格(公釐) -14- 589675 A7 B7 五、發明説明(12) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 然後施加於其上。對於聚磁環1 3 2之偏壓之施加強度, 係藉由絕緣體1 3 3之界電常數及厚度,可以是當地調整 。聚磁環與絕緣體1 3 3係被真空斷熱,就熱而言幾乎是 非接觸,所以,藉由電漿與偏壓’將其加熱,非常有效率 地使溫度升高是可能的。更者’以矽作爲聚磁環1 3 2之 材質,藉由聚磁環1 3 2之表面之矽之淸除作用,調整F 基或C F X基之反應或基組成,特別是可以控制晶圓外周 部之蝕刻均一性。 本實施例之電漿蝕刻裝置,係由上述這樣所構成。又 ,上述實施例中,關於側壁部分之溫度調節,可以採用上 述特願平1 0 - 1 4.7 6 7 2號公報所揭示之內容。又, 關於聚磁環之構造與溫度調節,可以採用上述特願平1 1 一 2 3 2 1 3 2號公報所提案之內容。 其次,使用該電漿蝕刻裝置,進行矽氧化膜之蝕刻時 之具體製程,使用圖1作詳細說明。 線 首先,處理之對象物之晶圓W,係從未圖示之試料搬 入機構,被搬入到處理室1 0 0之後,被載置•吸著於下 部電極1 3 0之上,配合需要,調整下部電極之高度,被 設定成一定之間隙。接著,處理室1 0 0內試料W之蝕亥[J 處理所必要知氣體,例如C 4 F 8及A r與〇2,從氣體 供給手段1 1 7,通過板1 1 5,以具有與一定流量之混 和比,被供給到處理室1 〇 〇。同時,處理室1 〇 〇,係 藉由真空排氣系1 〇 6及壓力控制手段1 〇 7,被調整爲 一定之處理壓力。其次,藉由從天線電源1 2 1來的 本紙張尺度適用中.國國家標準(CNS ) A4規格(2丨0 X 297公釐) -15 - " ' 589675 A7 B7 ---------------------------------- 五、發明説明(13) 4 5 0 Μ Η z之電力供給’從天線1 1 0電磁波被放射。 然後,與藉由磁場形成手段1 0 1於處理室1 〇 〇之內部 所形成之160高斯(對於450 MHz之電子迴旋加速 器共鳴磁場強度)之槪略水平之磁場之相互作用,藉此於 處理室1 0 0內產生電漿P,處理氣體被解離,產生離子 •基。更者,藉由由天線偏壓電源1 2 2來之天線偏壓電 力或下部電極之偏壓電源1 4 1來之偏壓電力’控制電漿 中之離子或基之組成比或能量,於晶圓W進行蝕刻處理。 然後,隨著鈾刻處理之終了,停止電力•磁場及處理氣體 之供給,結束飩刻。 本實施例之電漿處理裝置係向上述這樣所構成者。其 次,針對本實施例之裝置之板1 1 5之溫度控制之方法, 具體地予以說明,順便考察板1 1 5之溫度設定之後’顯 示測定板1 1 5之溫度之結果。 首先,藉由圖2說明板1 1 5之溫度控制之方法、即 ,冷卻與加熱之機構。圖2係圖1之天線1 1 〇之詳細剖 面圖,表示板1 1 5之溫度調節之構造。如圖1所說明者 ,天線1 1 0係由圓板狀導電體1 1 1、介質1 1 2、介 質環1 1 3所構成,圓板狀導電體1 1 1與電漿相挨著之 側之面,設置有板1 1 5。板1 1 5於外周部’藉由固定 螺絲等,被固定於圓板狀導電體1 1 1 ° 首先,板1 1 5之冷卻機構係如下。板1 1 5之背面 所設置之圓板狀導電體1 1 1 ,係從熱媒體導Α π 1 1 8 Α被導入熱媒體,於內部循環,然後’從導出口 本紙張尺度適用中.國國家標隼(CNS ) A4規格(2i0 X 297公釐) -16- I--------1衣---------1T------0 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589675 A7 B7 五、發明説明(14) 1 1 8 B被排出,藉此,溫度被維持於一定溫度。圓板狀 導電體1 1最好是使用熱傳導良好之鋁。熱媒體之溫度最 好是常溫附近,例如3 0 t左右。一方面,圓板狀導電體 1 1 1,從氣體供給手段1 1 7被供給處理氣體,於內部 被分散,通過板1 1 5所設之多數之氣體孔,處理氣體被 供給到處理室1 0 0內。所以於處理中,板1 1 5與圓板 狀導電體1 1 1之間,存在有處理氣體。板1 1 5,藉由 此氣體傳熱,從圓板狀導電體1 1 1被冷卻,溫度被調整 。更者,於圖2之實施例中,圓板狀導電體1 1 1與板 1 1 5相挨著之側之面,設有空間1 1 1 A,於此蓄積有 處理氣體,藉此,提高圓板狀導電體1 1 1與板1 1 5之 間之熱傳導率,使板1 1 5能很有效率地被冷卻。又,氣 體孔之直徑設定爲,圓板狀導電體1 1 1爲(D2mm,板 1 1 5 爲 Φ0·5ιϊιγπ〇 另一方面,板1 1 5之加熱機構,有從電漿Ρ來的電 漿加熱,天線偏壓之離子加熱,更加有,板1 1 5本身之 自身發熱。 電漿加熱,不用說,當然是利用電漿Ρ中之高溫之電 子或離子,使板1 1 5被加熱者。 離子加熱,係被板所拉過來之離子之能量所造成之加 熱。天線1 1 0被天線偏壓電源1 2 2施加高頻之天線偏 壓,藉由自偏壓(self-bias ),產生偏壓電壓V d c。天 線偏壓之電力,爲5 0 W到6 0 0 W左右,這種狀況時, 板1 1 5被施加約V d c = - V〜一 3 Ο Ο V之自偏壓, 本紙^尺度適用中國國家標孪(CNS )八4規格(210X 297公釐) :17 * 裝 · I 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 589675 A7 _·_B7 五、發明説明(15) 藉由此能量,離子被拉過來,而成爲將板1 1 5熱者。 又,板1 1 5之自身發熱,係板1 1 5之材料之矽所 具有之內部電阻所造成之電阻加熱。天線電源1 2 1所供 給之U H F頻帶之電磁波(以下簡稱爲utIF波),係於 介質1 1 2之內部’如1 2 1 Α這樣傳播,從介質環1 1 3被放射到處理室1 〇 0內(1 2 1 B ),同時,傳潘到 板1 1 5 ,從板1 1 5之表面被放射到處理室1 〇 〇內( 1 2 1 C )。 此處,UHF波傳播於板1 1 5中之狀況,係隨著板 115之材質之矽的電阻率之不同而有很大之變化。矽之 電阻率係藉由B (硼)之添加量而可以被調整者,例如, 可以設疋爲如果B濃度爲1 014左右時,爲5Ώ · cm 左右,B濃度爲1〇18〜1 〇19時,爲〇·〇 IQ · cm 左右。 矽之電阻率爲5Ω · cm時,對於UHF頻率4 5 0 MHz之電磁波之表皮厚度(表皮深度)爲約7mm。即 ,U H F波所造成之電流,於從表面起到7 m m左右之深 度之領域中傳播。一方面,板1 1 5之板厚,從板之彎曲 剛性或強度等來看,5 m m到2 0 m m左右是適當者,·考 慮板1 1 5之材料或製作所需要之成本,則板厚爲1 〇 m m左右以下較理想。這頂多是表皮厚度之2倍左右。因此 ,就成爲U H F波所造成之電流於板之內部全體傳播。這 時,由於矽板1 1 5之電阻率爲5 Ω · c m,很高,所以 ,產生電流之焦耳熱。像這樣之現象,於矽之電阻率爲 本紙a尺度適用中國國家標隼(CNS ) A4規格(ΐϋ 297公釐) -18 - ~ 一 I^-------—1Τ------.^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589675 Λ7 B7 五、發明説明(16 ) 1 Ω · cm〜1 〇Ω · cm之範圍時會產生。即,對於 UHF頻率4 5 0 MHz,於矽之電阻率爲1 Ω · cm〜 1〇Ω·cm時,藉由傳播於板內部之UHF波,板由於 電阻加熱,本身發熱,產生昇溫。 一方面,矽之電阻率爲例如〇 . 〇 1 Ω · c m,很低 時,UHF頻率450 MHz之表皮厚度(表皮深度),爲 約 0.1mm〜〇.5mm左右。這時,UHF波之電流成爲於 板1 1 5之最表面傳播,由於電流集中於最表面,及矽之 電阻率低,使的板1 1 5幾乎不會產生自身發熱。像這樣 ’板1 1 5之自身發熱,係隨著板1 1 5之材料之矽之電 阻率,而產生很大之發熱量變化。 到此爲止,係說明了圖1之實施例之矽板1· 1 5之冷 卻與昇溫之機構。板1 1 5之溫度係使這些機構平衡,控 制於一定之値者。接著,針對板1 1 5之溫度設定,予以 考量。 定性的予以考量,則當板1 1 5之溫度低時,於板之 表面’反應生成物變的容易堆積,表面狀態隨著時間而變 化或堆積之反應生成物會剝離,成爲異物源,是很容易可 以推察者。但是,並不只於此,特別是於板1 1 5之溫度 爲1 0 0 °C以下,很低時,對於矽表面之反應狀態之溫度 變化之依存性變大,是本案發明者們所發現者。關於此, 以圖3作說明。 圖3係表示,於矽板之表面反應,取消耗率,評價對 裝 · - 訂 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙浪尺度適用中國國家標隼(CNS ) A4現格(210X297公釐〉 -- 589675 A7 _ B7 五、發明説明(π) 於矽板之消耗率之偏壓施加量•表面溫度之影響之結果。 此係於圖1之實施例之裝置上,以將矽之消耗率予以定量 化之目的來進行之實驗結果。實驗係放電1小時(放電 〇N(3分鐘)/〇FF (1分鐘)予以重複20次)之 後,對於隙之消耗量用階差計予以測定,以此評價矽之消 耗率(蝕刻率)。參數爲對於矽施加之偏壓(V d c )及 矽之溫度。矽之溫度是以溫度調節之溫度或氣體壓力等予 以設定,以貼於表面之熱變色標籤予以測定表面溫度。 從圖3可知,矽之溫度爲低溫,5 0 °C〜7 0 °C時’ 隨著偏壓電壓之絕對値(V d c之絕對値I V d c丨)變小 ,矽之消耗率減少,相對於此,當矽之溫度爲1 0 〇 °C〜 1 0 5 °C,或1 2 5 t〜1 3 0 °C時之高溫時,及使 丨V d c丨變小,矽之消耗率也幾乎一定。這是因爲定性的 ,矽之表面溫度低時,矽表面之沉澱率增加,所以,藉由 丨V d c丨之大小,離子到達矽表面之到達量會受影響’所 以矽消耗率對於I V d c丨之依存度變大,相對於此,汐之 溫度高時,沉澱率下降,所以,即使丨V d c丨很小,矽之 表面之蝕刻反應也會進行。這是我們所理解到者。 又,對於圖3之其他之看法,表示是當丨V d c M、時 ,例如,於V d c二—1 6 0 V,矽之消耗率於5 0 °C〜 7 0 °C與1 〇 〇 t〜1 0 5 °C爲有相當大的不同,矽之消 耗與表面溫度之變化有很大之依存關係。此傾向’當 丨V d c|爲5 0 V左右,變小時,變個更爲明顯。一方面 ,當丨V d c I爲3 0 0 V以上,變成很難受到溫度之變化 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Μ規格(210X 297公釐) _ 20 - I 批衣--.------1Τ------.^. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589675 A 7 _._B7 五、發明説明(18) I--------^--·-----1T (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 之影饗。這是因爲,當V d c低時,矽表面之沉澱膜不容 易被離子所除去,沉澱率容易受溫度依存性之影響,但是 ,當V d c高時,矽表面之沉澱膜容易被被離子所除去, 所以,對於矽表面之反應之溫度依存性變小者。 由此結果來看,可以知道,矽之消耗率,於偏壓施加 量(I V d c I )大,溫度高之條件下,不容易受偏壓施加 量或溫度變化之影響。由此可以了解,以能滿足這兩方之 條件之窗子,使矽之表面之反應之安定化成爲可能。將上 述之結果予以彙整,則於Vd c = — 5 0V〜—3 0 0V ,使矽板之表面溫度爲1 0 0 °C以上,則可以知道,矽板 之表面反應不容易受偏壓施加量或表面溫度之影響。 一方面,當板1 1 5之溫度高時,藉由板1 1 5之材 質之矽與圓板狀導電體111之材質之鋁之熱膨脹率之差 ,於板1 1 5與圓板狀導電體1 1 1之接觸面’變成很滑 ,板會裂開。此臨界溫度,是隨著裝置之設計餘裕度而不 同,但是,可以想是約爲2 0 0 °C〜2 5 0 °C左右,所以 ’如果考慮與圓板狀導電體1 1 1之溫度差時’則板 1 1 5之溫度爲設定於約1 50 °C附近,最高爲200 °C 左右,是較理想者。 藉由上述之檢討,從製程安定性之觀點來看’於本實 施例中,於矽製之板1 1 5所產生之自我偏壓V d c爲 Vd c=— 5 0V〜—3 00V時,將板1 1 5之表面溫 度設定爲1 0 0 t以上2 0 〇 °C以下之範圍’較理想者爲 1 5 0 °C附近是較理想者。於本實施例中,使矽板1 1 5 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X 297公釐) -21 - 589675 A7 __·__ _ B7 五、發明説明(19) 之電阻率•厚度、圓板狀導電體1 i i之冷煤溫度與冷卻 效率、氣體孔之大小等之設計參數,爲最佳化,藉此,板 1 1 5之溫度調整到規定之値。 其次,於實施例1之裝置中,使用圖4到圖6,說明 實際測量矽製之板1 1 5之溫度之結果。 圖4是表示連續處理試驗之板115及圓板狀導電體 1 1 1之溫度變動。處以試驗是從裝置沒有被預先加熱之 狀態開始,使放電3分鐘〇N / 1分鐘〇F F連續重複。 矽板1 1 5之電阻率爲5 Ω · c m。處理條件如下 處理條件A : 蝕刻氣體組成:Ar/C4F8 / 02 = 400/ 15/9 seem、 氣體壓力·· 2 · 0 P a、 間隙:7 0 m m
電力:天線/天線偏壓/下部偏壓=1 0 0 0 W/ 400W/600W 可以確認,溫度係以螢光溫度計直接安裝於板1 1 5 之電漿側之面予以測定,可以非常精確地予以測定內壁面 之溫度。連續處理試驗開始,同時,板1 1 5之溫度急速 上升,放電開始後3分鐘左右,超過1 〇 0 °C,幾乎達到 定常狀態。這中間,圓板狀導電體1 1 1之溫度,於慢慢 地上升約6 0分鐘後,上升到7 0 °C左右。但是,於此期 間,板1 1 5之入熱與出熱成爲平衡,板1 1 5之溫度從 大約1 1 0 °C起到1 2 0 °C附近,一定的推移。又,6 0 分鐘以後,使天線偏壓電源之輸出,從4 〇 〇 W開始降低 本紙張尺度適用中國國家標隼(CNS ) >A4規格() - 22 -一 ' -II---- H - ---I n L---丁— I I 1------J—— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589675 A7 _— —__ B7 五、發明説明(20) 到2 〇 0 W,但是,這時,板1 1 5之溫度下降約1 0 °C 左右。此溫度表示離子加熱之效果。 其次,將時間表予以更詳細化,隨著放電之〇N / ◦ F F之溫度變動之結果,以圖5表示。於圖5中,表示 定常狀態之板1 1 5之溫度。藉由放電〇N,板1 1 5之 溫度從1 1 〇。(:開始,於3分鐘後,上升到1 2 〇 °c。於 處理終了,會放電0ίτ F,同時溫度上升停止,但是,之 後’溫度也不會下降,幾乎顯示一定値,爲了下一個處理 ’處理氣體被導入時,溫度會降低。這是因爲,隨著處理 終了’處理氣體之供給也停止,所以,板1 1 5與圓板狀 導電體1 1 1之間沒有氣體傳熱所致。由此可知,氣體傳 熱所造成之板之冷卻之效果很大。 其次,藉由圖6 ,說明矽之電阻率不同時之結果。圖 6是矽板1 1 5之電阻率爲〇·〇 1Ω · cm很低時之板 1 1 5之溫度變化之測定結果。處理條件與圖4之電阻率 5 Ω · c m時相同,但是,與圖4相比,定常溫度爲較低 爲約7 0 °C。此爲矽之內部電阻所造成之自身發熱之有無 之差異所造成者。又,次所謂之7 0 °C溫度,係與圖4所 示之圓板狀導電體1 1之飽和溫度幾乎相同。此係表示, 藉由本實施例之構造,對於電漿加熱及偏壓加熱之溫度上 升,有效率之冷卻爲可能者。 但是’於定常溫度下,約爲7 0 °C之溫度領域係如圖 3所不這樣,藉由偏壓電壓之變動,矽之消耗率、即表面 之反應狀態尺產生變化之領域。又,使偏壓電壓爲低時, 本紙張尺度適用中國國家標iT^NS ) A4規格(210X297公釐) : 23- ' ---------士"---.---:--丁------泉 0¾ 、\| 务 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本I) 589675 Λ7 __-_ B7 五、發明説明(21 ) 成爲於表面容易堆積反應生成物,藉由堆積膜之剝離產生 異物產生之可能性。像這樣,此溫度領域,從製程再現性 及異物控制之觀點來看,並不是理想之溫度範圍。一方面 ,圓板狀導電體1 1 1是由熱傳導良好之鋁所構成,以旋 環冷煤來進行溫度調節,所以,如圖4所示這樣,即使是 定常狀態,其溫度也被維持於7 0 °C。所以,必需要使矽 製之板1 1 5之溫度,維持於比圓板狀導電體1 1 1爲高 者。因此,板1 1 5之矽之內部電阻所造成之自身發熱, 可以不需要複雜之加熱機構,對板1 1 5自身很有效率地 加熱,可以將板1 1 5之溫度設定於一定之値,此爲其優 點。 又,如剛才所述,電阻率爲〇 . 〇 1 Ω · c m,很低 時,表皮厚度(表皮深度)成爲0.1mm〜0.5mm左 右,但是,這時,由於U H F波所造成之電流集中於板1 1 5之最表面,所以,會於砂表面產生微米之侵鈾。本案 發明者們,檢討之結果,發現爲了不使侵鈾產生’必需要 使電阻率爲1 Ω · c m。 一方面,當板1 1 5之電阻率過高時,UHF波於板 1 1 5之內部傳播時之損失變大’從板1 1 5之中心附近 所放射之U H F波之強度降低,所以’電漿分布會變化。 爲了不使這種現象產生,板115之電阻率20Ω·cm 係恰當者 ,較理想者爲1 0 Ω · c m以下。 藉由以上之理由,導出以下之結論,對於U H F波之 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4說格(210X 297公釐) -24- ---------¾.--------IT------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 589675 Λ7 -__B7___ 五、發明説明(22 ) 頻率450 MHz,板115之矽之電阻率爲1Ω· cm 以上20Ω·cm以下是恰當者,10Ω·cm以下是較 浬想者,特別是5 Ω · c m爲最佳者。 其次,從電漿處理中之板1 1 5之溫度變動對於電漿 學性質或蝕刻特性之影響,來考察板1丨5之溫度調節 所要求之精度。 於圖2之實施例中,藉由挨著圓板狀導電體1 1 1之 板1 1 5側之面所設之空間1 1 1 A所積蓄之處理氣體, 提高圓板狀導電體1 1 1與板1 1 5之間之熱傳導效率, 確保板1 1 5之溫度調節精度。其結果,如圖4、圖5所 示,放電〇N /〇F F時之板1 1 5之溫度,被控制成於 115°C附近,有 ±5 °C左右之變動。由圖3之結果也 可以容易推測,如果使溫度變動爲± 5 °C左右,.則可以使 板1 1 5之表面反應十分安定。而,於偏壓被施加之條件 下,溫度變動愈大,具體而言,即使微±2 5 °C左右,也 可以使製程安定化。關於此事實,以實驗確認知結果,以 圖7到圖9來作說明。 圖7係表示使用於實驗之第2實施例之構造。與圖2 所示之第1實施例爲大約相同之構造,但是,對於板· 1 1 5之溫度變動之控制及冷卻有很大效果之圓板狀導電 體1 1 1與板1 1 5之間之空間並沒有設置之構造,提高 板1 1 5之溫度,同時,容許溫度變動之點,係與圖2之 實施例不同。板1 1 5之表面溫度之設計値,假設係於 1 5 0°C附近,有±2 5 t:左右之變動。更者,使外周環 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝 、-口 線 本紙浪尺度適用中.國國家標隼() A4規格(210X 297公釐) -25 - 589675 A 7 _._ B7 五、發明説明(23) 1 1 6變厚,使內側爲傾斜狀態,以提高U H F波1 2 1 Β之放射效果,提高電漿生成效果,同時,抑制電漿ρ之 擴散,提高電漿Ρ之密度。 這時之板1 1 5之溫度變動以圖8表示。處理條件係 使用與圖3之說明所示者同等之條件。這種情況時,於處 理開始後6 0分鐘之定常狀態下,藉由放電〇Ν,板 1 1 5之溫度從1 2 5它上升到1 6 5 °C。即,隨著放電 〇N/〇F F ,產生大約±2 0。(:之溫度變動。產生像這 樣之溫度變動時之電漿及電漿中之化學性質之狀態之變化 (或安定性),藉由電漿發光及放電特形之時間變化予以 調查之結果,以圖9予以說明。 圖9係表示放電〇N之1循環之電漿發光及放電電壓 Bias-Vpp、天線偏壓Ant. -Vdc之時間變化。電漿發光係 表示 CF(2 30.5nm) 、CF 2 ( 2 8 0 n m ) 、Α「 (4 1 9 . 8 η m )。發光之CF、CF2係表示基即電 漿中之化學物質之狀態,A r爲離子密度。又,放電電壓 Bias-Vpp表示電漿密度。天線偏壓Ant.-Vdc會對矽板1 1 5表面之F淸除反應、即電漿化學物質有影響。由圖9 之結果可知,發光CF、CF2、Ar及放電電壓Bias-VPP、天線偏壓Ant.-Vdc,不論是哪一個都是於放電〇N 中安定,板1 1 5之溫度變動之影響完全看不見。由此可 以確認,即使對於± 2 5 °C左右之溫度變動,電漿及化學 物質之狀態爲安定者。又,放電◦ F F之前之變動,係隨 著解除試料晶圓之靜電吸著之除電步驟而變動者,所以, 本紙張尺度適用中.國國家標準(CNS ) A4規格(210>< 297公釐^ :26- I---------1衣---------1T------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589675 A7 _ · _ B7 五、發明説明(24) 不是起因於溫度變動者。 更者,使用圖7之實施例之裝置,將確認製程之安定 性之結果,以圖1 〇表示。圖1 0係表示對於平樣品之蝕 刻量及蝕刻率之蝕刻時間之依存性之測定結果。板1 1 5 之溫度變動影響蝕刻特性時,以蝕刻量之線形性或蝕刻率 之變動來表現。但是,如由圖1 0可以,蝕刻量係與蝕刻 時間成比例增加,蝕刻率也不受蝕刻時間影響,很安定。 由這些情況可以確認,對於板1 1 5之± 2 5 °C左右之溫 度變動,不只是電漿狀態,連鈾刻特性也安定。 上述係表示1片之晶圓蝕刻處理中之製程安定性者, 當然,即使連續處理1組2 5片之晶圓,或即使連續處理 數組之晶圓,也可以獲得同樣安定之製程再現。更者,藉 由本實施例之電漿蝕刻裝置確認,數1 0 0 0片之晶圓連 續處理,以氧化膜之保持器或SAC (自身整合接觸)製 程,予以實施之結果,經過放電1 0 0小時以上,仍可以 獲得安定之再現性良好之蝕刻特性。 又,上述之各實施例,係都爲有磁場U H F電電磁波 放射放電方式之電漿處理裝置者,固定於UHF波之頻率 爲450 MHz所作之說明,但是,當然頻率並不只限於 此。又,被放射之電磁波,U H F帶之3 0 〇 Μ Η ζ到1 G Hz以外之,例如,2 · 4 5 GHz之微波、或數1 0 MHz到3 0 0 MHz左右之VHF帶也可。又,磁場強度 係針對對於 4 5 0 MHz之電子迴旋加速器共鳴磁場強度之160高 ^紙張尺度適用中國國家標準(〇~$)/\4規格(2丨0父297公釐) -27 - ---------扣衣--.--L--1T-------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589675 A7 B7 五、發明説明(25) 斯之情況作的說明,但是,不一定要使用共鳴磁場,比這 個強之磁場或相反的使用數1 〇高斯以下之弱磁場也可。 更者,不使用磁場之例如無磁場放電也可。又,製程氣體 之吹出,係不需要從板1 1 5進行,例如,從側壁導入氣 體也可以。更者,除上述之外,例如使用磁場之磁場型之 電漿處理裝置或平行平板型之容量結合方式電漿處理裝置 ,或電感耦合型之電漿處理裝置等,都可以使用於上述各 實施例。 又,上述之各實施例,都是處理對象爲半導體晶圓, 對於此之蝕刻處理之情況者’但是,本發明並不只限於此 ,例如處理對象爲液晶基板時也可以適用,又,處理自身 也不只限於蝕刻,例如,對於濺射或c V D處理也可以適 用。 依據本發明,對於面對晶圓之被設置於天線之矽製之 板1 1 5,施加V d c=— 1 0V〜一 3 0 〇7之偏壓, 溫度爲1 〇 〇 °C以上2 0 0 °C以下之範圍,有 ±2 5 °C以內之變動,而使板1 1 5之表面反應不受 溫度變動之影響而能安定,所以,可以提供製程特性之安 定性•再現性良好之電漿處理裝置及電漿處理方法。· 本紙張尺度適用中·國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) -28- 裝 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
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- 經濟部智慧財產局R工消费合作社印製 589675 | 公 1 六、申請專利範圍 附件: 第9〇1〇2〇63號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國91年6月修正 1 · 一種電漿處理裝置,係具有:真空處理室,及將 氣體供給該真空處理室之處理氣體供給手段,及將在真空 處理室內被處理之試料予以保持著之電極,及面對上述試 料而被設置於該真空處理室之3 Ο ΟΜΗ z到1 GH z之 有磁場或無磁場U H F頻帶電磁波放射放電方式的電漿產 生裝置,及將該真空處理室予以減壓之真空排氣系;其特 徵爲: 上述電漿產生裝置,係具有被設置於處理室內側之矽 製之板,上述矽製之板之電阻率爲1 Ω · cm以上1 〇 Ω • cm以下之範圍,且,上述矽製之板之厚度爲5mm以 上1 〇 m m以下,對於該矽製之板,施加V d c = - 5 0 V以上- 3 Ο Ο V以下之偏壓電壓,且,使上述板之表面 溫度爲1 0 〇 °C以上2 0 0 °C以下之範圍。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之電漿處理裝置,其 中上述矽製之板電阻率約爲5 Ω · c m。 3 .如申請專利範圍第1或2項所述之電漿處理裝置 ,其中具有溫度調節手段,係含有導電體及介質,而構成 爲上述真空容器之壁之一部份之天線,該天線係,於挨著 上述導電體之電漿之側之面設置有上述矽製之板,該導電 體係藉由於內部循環之熱媒體,使溫度被維持於一定値者 本紙張尺度用t國國家標隼(CNS ) A4規格(210 X 297公ΙΓ Ι—Ί -----裝------訂------線 (請先閱讀背ν§之注意事項再填寫本頁)、 · 589675 88 C3 __ D3 六、申請專利範圍 〇 4 · 一種電漿處理方法,係藉由被設於真空處理室內 之UHF頻帶天線所放射之3 OOMHz至1 GHz之有 磁場或無磁場U H F頻帶之電磁波,與設置於上述真空處 理室之周圍之磁場形成手段所形成之磁場之相互作用,於 上述真空處理室內部產生電漿,對試料進行處理者;其特 徵爲: 對於面對上述試料而被設置於上述天線之板之電阻率 爲1Ω · cm以上10Ω · cm以下之範圍,而且板之厚 度爲5mm以上1 Omm以下之矽製之板,施加V d c = —1 0V〜一 3 0 0 V之偏壓,使該砂製之板之電阻率爲 1 Ω · c m以上1 〇 Ω · c m以下,以內部電阻之自身發 熱予以昇溫,控制上述板之溫度於1 0 〇 °C以上2 〇 〇它 以下之範圍,控制於±2 5 °C以內,藉由上述電漿來處理上 述試料。 5 ·如申請專利範圍第4項所述之電漿處理方法,其 中上述矽製之板之電阻率爲約5 Ω · c m。 ' 扣衣 訂 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁), . 經濟部智慧財產局員工消费合作社印¾. 本紙浪尺度適用中國國家標华(CNS ) A4規格(2丨0 X 297公釐) -2 -
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