TWI555446B - Plasma processing device and plasma processing method - Google Patents

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TWI555446B
TWI555446B TW105105466A TW105105466A TWI555446B TW I555446 B TWI555446 B TW I555446B TW 105105466 A TW105105466 A TW 105105466A TW 105105466 A TW105105466 A TW 105105466A TW I555446 B TWI555446 B TW I555446B
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Masashi Saito
Kazuki Denpoh
Chishio Koshimizu
Jun Yamawaku
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Description

電漿處理裝置及電漿處理方法
本發明是有關對被處理基板實施電漿處理的技術，特別是有關感應耦合型的電漿處理裝置及電漿處理方法。
在半導體裝置或FPD(Flat Panel Display)的製程之蝕刻、堆積、氧化、濺射等的處理，為了使良好的反應以較低溫來進行於處理氣體，電漿常被利用。以往，此種的電漿處理大多是使用MHz領域的高頻放電之電漿。高頻放電的電漿是大致區分成電容耦合型電漿及感應耦合型電漿，作為更具體的(裝置的)的電漿生成法。
一般，感應耦合型的電漿處理裝置是以介電質的窗來構成處理容器的壁部的至少一部分(例如頂棚)，對設於該介電質窗之外的線圈狀的RF天線供給高頻電力。處理容器是構成可減壓的真空腔室，在腔室內的中央部配置有被處理基板(例如半導體晶圓，玻璃基板等)，且在設定於介電質窗與基板之間的處理空間導入處理氣體。藉由流至RF天線的RF電流來使磁力線貫通介電質窗而通過腔室內的處理空間之類的RF磁場產生於RF天線的周圍， 且藉由此RF磁場的時間性的變化，在處理空間內於方位角方向產生感應電場。然後，藉由此感應電場來使加速於方位角方向的電子與處理氣體的分子或原子發生電離衝突，生成甜甜圈狀的電漿。
藉由在腔室內設有大的處理空間，上述甜甜圈狀的電漿可效率佳地擴散至四方(特別是徑方向)，在基板上電漿的密度相當平均。然而，光使用通常的RF天線，在基板上所能取得的電漿密度的均一性是在大部分的電漿製程中不夠充分。在感應耦合型的電漿處理裝置中使基板上的電漿密度的均一性提升也是左右電漿製程的均一性．再現性甚至製造良品率，因此成為最重要課題之一。
一般，在電漿處理裝置的電漿密度的均一性是有方位角方向的均一性及徑方向的均一性等兩種。
在方位角方向，由於RF天線在其迴路內包含與來自RF電源的RF給電路線連接之RF輸出入端，因此必然不得不採用非軸對稱的天線構造，這會成為在方位角方向產生電漿密度的不均一性之主因。對於此問題點，以往是提案在方位角方向等間隔增加RF天線的非軸對稱或特異之處，藉此提高同方向的均一性之技法(例如專利文獻1)、或以串連的上下2段的線圈來構成RF天線，且將設於上段線圈的RF給電結線處(輸出入端)隱藏於下段線圈的背後，電磁氣性地不自電漿側看見之技法(例如專利文獻2)。
並且，在徑方向，於腔室內的介電質窗附近所生成的 甜甜圈狀電漿內的電漿密度分布特性(輪廓(profile))重要，其核心的電漿密度分布的輪廓會左右在擴散後的基板上所能取得的電漿密度分布的均一性。有關此點，以往是以在徑方向將RF天線分割成複數片段(segment)的方式為主流。此RF天線分割方式有對各個的天線．片段供給個別的高頻電力之第1方式(例如專利文獻3)、及以電容器等的附加電路來可變各個天線．片段的阻抗，而控制由1個的高頻電源來分別分配於全部的天線．片段的RF電力的分割比之第2方式(例如專利文獻4)。
〔先行技術文獻〕
〔專利文獻〕
〔專利文獻1〕美國專利第5800619號
〔專利文獻2〕特表2003-517197
〔專利文獻3〕美國專利第5401350號
〔專利文獻4〕美國專利第5907221號
然而，為了使電漿密度分布的均一性提升之上述那樣的以往技術，即使為意圖方位角方向的均一性或徑方向的均一性之任一的型態，RF天線為複雜的構造，製作困難，或RF給電系統(RF電源、整合器)的負擔大將成為問題。
並且，針對電漿密度分布意圖方位角方向的均一性之 上述以往技術中，主要貢獻感應耦合電漿的生成之天線部分(例如上述下段天線)未嚴密地具有軸對稱的形體，因此均一性的精度或改善度有限。
本發明是有鑑於上述那樣的以往技術而研發者，提供一種高頻給電系統的負擔輕，RF天線的構造簡易且製作容易，可改善電漿密度分布的均一性或控制性之感應耦合型的電漿處理裝置及電漿處理方法。
本發明的電漿處理裝置係具備：可真空排氣的處理容器，其係於頂棚具有介電質的窗；基板保持部，其係於前述處理容器內保持被處理基板；處理氣體供給部，其係為了對前述基板實施所望的電漿處理，而供給所望的處理氣體至前述處理容器內；第1RF天線，其係為了在前述處理容器內藉由感應耦合來生成處理氣體的電漿，而設於前述介電質窗之上；第1高頻給電部，其係將適於前述處理氣體的高頻放電之頻率的高頻電力供給至前述RF天線，又，前述第1RF天線具有：一次線圈，其係配置於前述介電質窗之上或其上方，且經由高頻給電路線來電性連接至前述第1高頻給電部；及 二次線圈，其係配置於可藉由電磁感應來與前述一次線圈結合的位置，且比前述一次線圈更靠近前述介電質窗的下面。
又，本發明的電漿處理方法係具有：在頂棚具有介電質的窗之可真空排氣的處理容器內設定於前述介電質窗的下方之所定位置配置被處理基板之工程；由前述處理氣體供給部來對前述處理容器內供給所望的處理氣體之工程；以所定的壓力來將前述處理容器內維持於減壓狀態之工程；由高頻電源來對配置於前述介電質窗的上方之一次線圈施加所定頻率的高頻，而使高頻電流流至前述一次線圈之工程；在配置於比前述一次線圈更靠近前述介電質窗的下面之二次線圈，藉由電磁感應來流動對應於前述高頻電流的感應電流之工程；藉由對應於在前述二次線圈所流動的前述感應電流之高頻的磁場及感應電場，在前述處理容器內的前述介電質窗的附近生成處理氣體的電漿之工程；使所生成的前述電漿在前述處理容器內擴散之工程；及在前述電漿之下對前述基板實施所望的電漿處理之工程。
在本發明中，是一旦來自高頻給電部的高頻放電用的高頻被供應給一次線圈，在一次線圈流動高頻電流，則會從一次線圈經由感應耦合來傳達高頻的能量至二次線圈，且利用從二次線圈經由介電質窗放射至處理容器內的處理氣體之電磁能量來生成感應耦合的電漿。亦即，一次線圈與二次線圈會以電磁感應來結合，且二次線圈與處理容器內的電漿會以電磁感應來結合，藉此從高頻給電部所供給的高頻的功率會經由一次線圈及二次線圈來供給至處理容器內的電漿負荷。經由介電質窗來主要對處理容器內的處理氣體放射電磁能量的二次線圈可無空間的特異點(給電點)完全以軸對稱的無端線圈所構成。藉此，可使生成於處理容器內的處理空間之甜甜圈狀電漿內的電漿密度在方位角方向均一化，進而能夠使基板載置部附近(亦即基板上)的電漿密度分布在方位角方向均一化。
若根據本發明的感應耦合型電漿處理裝置或電漿處理方法，則藉由上述那樣的構成及作用，RF給電系統的負擔輕，RF天線的構造簡易且製作容易，可使電漿密度分布的均一性或控制性提升。
10‧‧‧腔室
12‧‧‧基座
14‧‧‧絕緣性筒狀支撐部
16‧‧‧導電性筒狀支撐部
18‧‧‧排氣路
20‧‧‧擋板
22‧‧‧排氣口
24‧‧‧排氣管
26‧‧‧排氣裝置
27‧‧‧搬出入口
28‧‧‧閘閥
30‧‧‧高頻電源
32‧‧‧整合器
34‧‧‧給電棒
36‧‧‧靜電吸盤
36a‧‧‧電極
36b，36c‧‧‧絕緣膜
38‧‧‧聚焦環
40‧‧‧直流電源
42‧‧‧開關
43‧‧‧被覆線
44‧‧‧冷媒室
46，48‧‧‧配管
50‧‧‧氣體供給管
52‧‧‧介電質窗
54‧‧‧RF天線
56‧‧‧天線室
58‧‧‧高頻給電部
60‧‧‧RF給電路線
62‧‧‧一次線圈
62(1)‧‧‧第1回轉部
62(2)‧‧‧第2回轉部
62(3)‧‧‧第3回轉部
64‧‧‧二次線圈
64(1)，64(2)，64(3)，64(4)‧‧‧無端線圈
66‧‧‧支撐板
68‧‧‧地線
70‧‧‧高頻電源
72‧‧‧整合器
74‧‧‧緩衝部
76‧‧‧側壁氣體吐出孔
78‧‧‧處理氣體供給源
80‧‧‧氣體供給管
82‧‧‧主控制部
84‧‧‧中空環罩
86‧‧‧RF天線
90(1)，90(2)，90(3)，90(4)‧‧‧電容器
100‧‧‧被加工膜
102‧‧‧SiN層
104‧‧‧有機膜
106‧‧‧反射防止膜
108‧‧‧光阻劑
110‧‧‧保持部
112‧‧‧旋轉機構
114‧‧‧旋轉環
116‧‧‧小齒輪
118‧‧‧旋轉驅動部
120‧‧‧電容器
W‧‧‧半導體晶圓
圖1是表示本發明之一實施形態的感應耦合型電漿蝕刻裝置的構成的縱剖面圖。
圖2是表示圖1的感應耦合型電漿蝕刻裝置的電漿生成部的主要構成的立體圖。
圖3A是表示同心圓型線圈的構成的立體圖。
圖3B是表示螺旋型線圈的構成的平面圖。
圖4A是模式性地顯示實施形態的RF天線的配置構造之一變形例的大致剖面圖。
圖4B是模式性地顯示實施形態的RF天線的配置構造之別的變形例的大致剖面圖。
圖4C是模式性地顯示實施形態的RF天線的配置構造之別的變形例的大致剖面圖。
圖4D是模式性地顯示實施形態的RF天線的配置構造之別的一變形例的大致剖面圖。
圖4E是模式性地顯示實施形態的RF天線的配置構造之別的一變形例的大致剖面圖。
圖5是表示對實施形態的RF天線之高頻給電形態的一變形例。
圖6是表示對實施形態的RF天線之高頻給電形態的別的變形例。
圖7A是模式性地顯示在實施形態中具備複數的RF天線時的天線配置構造之一例的立體圖。
圖7B是表示上述天線配置構造的大致剖面圖。
圖8A是表示在實施形態的RF天線的迴路內設置電容器的形態的立體圖。
圖8B是表示在實施形態中於二次線圈的迴路內設置 電容器的形態的立體圖。
圖9A是表示在實施例及比較例中被激起於電漿中的感應電流的分布之等高線繪製圖。
圖9B是表示在實施例及比較例中被激起於電漿中的感應電流的分布之周圍繪製圖。
圖10是表示在實施例中流至二次線圈的各半徑位置的無端線圈之感應(二次)電流與流至一次線圈的RF(一次)電流的比之條狀圖表。
圖11是表示在實施例及比較例中，在一次線圈流動1A的RF電流時被激起於電漿內的電流密度的半徑方向分布特性。
圖12A是表示在實施例的第1電容調整例中流至二次線圈的各半徑位置的無端線圈之感應(二次)電流與流至一次線圈的RF(一次)電流的比之條狀圖表。
圖12B是表示在實施例的第1電容調整例中，在一次線圈流動1A的RF電流時被激起於電漿內的電流密度的半徑方向分布特性。
圖13A是表示在實施例的第2電容調整例中流至二次線圈的各半徑位置的無端線圈之感應(二次)電流與流至一次線圈的RF(一次)電流的比之條狀圖表。
圖13B是表示在實施例的第2電容調整例中，在一次線圈流動1A的RF電流時被激起於電漿內的電流密度的半徑方向分布特性。
圖14A是表示在實施例的第3電容調整例中流至二次 線圈的各半徑位置的無端線圈之感應(二次)電流與流至一次線圈的RF(一次)電流的比之條狀圖表。
圖14B是表示在實施例的第3電容調整例中，在一次線圈流動1A的RF電流時被激起於電漿內的電流密度的半徑方向分布特性。
圖15A是表示在實施例的第4電容調整例中流至二次線圈的各半徑位置的無端線圈之感應(二次)電流與流至一次線圈的RF(一次)電流的比之條狀圖表。
圖15B是表示在實施例的第4電容調整例中，在一次線圈流動1A的RF電流時被激起於電漿內的電流密度的半徑方向分布特性。
圖16A是表示在實施例的第5電容調整例中流至二次線圈的各半徑位置的無端線圈之感應(二次)電流與流至一次線圈的RF(一次)電流的比之條狀圖表。
圖16B是表示在實施例的第5電容調整例中，在一次線圈流動1A的RF電流時被激起於電漿內的電流密度的半徑方向分布特性。
圖17是階段性顯示多層光阻法的工程圖。
圖18是表示在實施形態的感應耦合型電漿蝕刻裝置中使二次線圈旋轉運動的實施例的立體圖。
圖19是表示實施形態的二次線圈的卷線構造之一變形例的平面圖。
以下，參照附圖來說明本發明的適當實施形態。
圖1是表示本發明之一實施形態的感應耦合型電漿蝕刻裝置的構成。此感應耦合型電漿蝕刻裝置是使用平面線圈形的RF天線的型態，例如具有鋁或不鏽鋼等金屬製的圓筒型真空腔室(處理容器)10。腔室10是被安全接地。
首先，說明此感應耦合型電漿蝕刻裝置中無關電漿生成的各部構成。
在腔室10內的下部中央，載置被處理基板例如半導體晶圓W的圓板狀的基座12會作為兼具高頻電極的基板保持台來水平配置。此基座12是例如由鋁所構成，被絕緣性的筒狀支撐部14所支撐，該筒狀支撐部14是從腔室10的底垂直延伸至上方。
在沿著絕緣性筒狀支撐部14的外周從腔室10的底垂直延伸至上方的導電性的筒狀支撐部16與腔室10的內壁之間形成有環狀的排氣路18，在此排氣路18的上部或入口安裝有環狀的擋板20，且在底部設有排氣口22。
為了使腔室10內的氣流對於基座12上的半導體晶圓W軸對稱地形成均一，而於圓周方向以等間隔來設置複數個排氣口22為理想。在各排氣口22是經由排氣管24來連接排氣裝置26。排氣裝置26是具有渦輪分子泵等的真空泵，可將腔室10內的電漿處理空間減壓至所望的真空度。在腔室10的側壁外安裝有開閉半導體晶圓W的搬出入口27的閘閥28。
基座12是經由整合器32及給電棒34來電性連接RF偏壓用的高頻電源30。此高頻電源30能以可變的功率來輸出適於控制引入至半導體晶圓W的離子能量之一定頻率(13.56MHz以下)的高頻RFL。整合器32是收容電抗可變的整合電路，其係用以在高頻電源30側的阻抗與負荷(主要是基座、電漿、腔室)側的阻抗之間取得整合。該整合電路之中含有自我偏壓生成用的阻隔電容器。
在基座12的上面設有用以靜電吸附力來保持半導體晶圓W的靜電吸盤36，在靜電吸盤36的半徑方向外側設有環狀地包圍半導體晶圓W周圍的聚焦環38。靜電吸盤36是將由導電膜所構成的電極36a夾入一對的絕緣膜36b，36c之間者，電極36a是經由開關42及被覆線43來電性連接高壓的直流電源40。可藉由從直流電源40所施加的高壓的直流電壓來以靜電力將半導體晶圓W吸附於靜電吸盤36上。
在基座12的內部設有例如沿著圓周方向的環狀冷媒室44。此冷媒室44是從冷卻單元(未圖示)經由配管46，48來循環供給所定溫度的冷媒例如冷卻水。可藉由冷媒的溫度來控制靜電吸盤36上的半導體晶圓W的處理中的溫度。與此關連，來自傳熱氣體供給部(未圖示)的傳熱氣體例如He氣體會經由氣體供給管50來供給至靜電吸盤36的上面與半導體晶圓W的背面之間。又，亦設有為了半導體晶圓W的裝載/卸載而於垂直方向貫通基座12可上下移動的升降銷及其昇降機構(未圖示)等。
其次，說明在此感應耦合型電漿蝕刻裝置中有關電漿生成的各部構成。圖2是表示此電漿蝕刻裝置的電漿生成部的要部構成。
腔室10的頂棚是離基座12取較大的距離間隔設置，在此頂棚氣密地安裝有例如由石英板所構成的圓形的介電質窗52。在此介電質窗52的上面，天線室56會與腔室10一體設置，該天線室56是與外部作電磁性遮蔽來收容用以在腔室10內生成感應耦合的電漿之RF天線54。
此實施形態的RF天線54是具有：一次線圈62，其係於天線室56內離開介電質窗52來配置於其上方，連接至來自高頻給電部58的RF給電路線60；及二次線圈64，其係以電性浮動狀態配置於可藉由電磁感應來結合此一次線圈62的位置，且比此一次線圈62更靠近介電質窗52的下面(與處理空間對向的面)。
圖示的構成例是二次線圈64會被載於介電質窗52的上面而水平安裝，一次線圈62會在與二次線圈64取適度的距離間隔之上方的位置水平地安裝於由絕緣體所構成的支撐板66。通常，兩線圈62，64是彼此水平且同軸地配置，且對於腔室10或基座12也水平且同軸地配置。
一次線圈62較理想是由複數卷的線圈所構成，例如圖2及圖3A所示具有線圈半徑在各一周內為一定的同心圓型線圈的形體。不過，一次線圈62亦可為其他的形體，例如具有像圖3B所示那樣的螺旋型線圈的形體。通 常，一次線圈62的中心側的端部會被連接至來自高頻給電部58的RF給電路線60，一次線圈62的周邊側的端部會經由地線(回線)68來電性連接至接地電位。一次線圈62的材質是導電率高例如銅系的金屬為理想。
二次線圈64較理想是如圖2所示構成為將線圈徑不同的複數(例如3個)無端線圈64(1)，64(2)，64(3)配置成同心圓狀的組線圈。各無端線圈64(1)，64(2)，64(3)的材質是導電率高例如銅系的金屬為理想，但亦可為Si或SiC等的半導體。
圖示的構成例是一次線圈62為由3回轉(捲3回)的同心圓型線圈所構成。而且，一次線圈62的最內周的第1回轉部62(1)與二次線圈64的最內周的無端線圈64(1)是上下對向，一次線圈62的中間的第2回轉部62(2)與二次線圈64的中間的無端線圈64(2)是上下對向，一次線圈62的最外周的第3回轉部62(3)與二次線圈64的最外周的無端線圈64(3)是上下對向。
高頻給電部58是具有高頻電源70及整合器72。高頻電源70是能以可變的功率來輸出適於利用高頻放電的電漿生成之一定頻率(13.56MHz以上)的高頻RFH。整合器72是收容電抗可變的整合電路，其係用以在高頻電源70側的阻抗與負荷(主要是RF天線、電漿、補正線圈)側的阻抗之間取得整合。
用以對腔室10內的處理空間供給處理氣體的處理氣體供給部是具有： 環狀的集流腔或緩衝部74，其係在比介電質窗52稍微低的位置設於腔室10的側壁之中(或外)；多數的側壁氣體吐出孔76，其係於圓周方向以等間隔從緩衝部74面對電漿生成空間；及氣體供給管80，其係從處理氣體供給源78延伸至緩衝部74。
又，處理氣體供給源78是包含流量控制器及開閉閥(未圖示)。
主控制部82是例如含微電腦，控制此電漿蝕刻裝置內的各部例如排氣裝置26、高頻電源30，70、整合器32，72、靜電吸盤用的開關42、處理氣體供給源78、冷卻單元(未圖示)、傳熱氣體供給部(未圖示)等各個的動作及裝置全體的動作(順序)。
在此感應耦合型電漿蝕刻裝置中，為了進行蝕刻，首先使閘閥28成為開狀態來將加工對象的半導體晶圓W搬入至腔室10內，載置於靜電吸盤36上。然後，關閉閘閥28之後，從處理氣體供給源78經由氣體供給管80、緩衝部74及側壁氣體吐出孔76來將蝕刻氣體(一般是混合氣體)以所定的流量及流量比來導入至腔室10內，且藉由排氣裝置26來將腔室10內的壓力形成設定值。更開啟高頻給電部58的高頻電源70來使電漿生成用的高頻RFH以所定的RF功率輸出，經由整合器72，RF給電路線60來對RF天線54的一次線圈62供給高頻RFH的電流。另一方面，開啟高頻電源30來使離子引入控制用的高頻RFL 以所定的RF功率輸出，將此高頻RFL經由整合器32及給電棒34來施加於基座12。並且，由傳熱氣體供給部來供給傳熱氣體(He氣體)於靜電吸盤36與半導體晶圓W之間的接觸界面，且開啟開關42藉由靜電吸盤36的靜電吸附力來將傳熱氣體關在上述接觸界面。
從側壁氣體吐出孔76吐出的蝕刻氣體是均一地擴散於介電質窗52下的處理空間。藉由流動於RF天線54的一次線圈62之高頻RFH的電流，在一次線圈62的周圍發生的磁力線(磁束)會與二次線圈64互連，依該磁束的時間變化，在二次線圈64產生感應起電力，而於其迴路內流動電流(感應電流)。
藉由流至此二次線圈64的感應電流所產生的磁力線會貫通介電質窗52來橫穿過腔室10內的處理空間(電漿生成空間)，在處理空間內產生方位角方向的感應電場。藉由此感應電場來加速於方位角方向的電子會與蝕刻氣體的分子或原子產生電離衝突，生成甜甜圈狀的電漿。如此在電漿中二次線圈64所作成的磁場為支配性，電漿是主要在二次線圈64所作成的磁場生成，幾乎不受一次線圈62的影響。
在此所謂「甜甜圈狀的電漿」並非限於在腔室10的徑方向內側(中心部)不起電漿，只在徑方向外側起電漿那樣嚴密環狀的電漿，而是意味比起腔室10的徑方向內側，徑方向外側的電漿的體積或密度較大。並且，依處理氣體所使用的氣體種類或腔室10內的壓力值等的條件， 也有不形成在此所謂「甜甜圈狀的電漿」時。
此甜甜圈狀電漿的自由基或離子是寬廣的處理空間擴散於四方，自由基是等方性地降落，離子是被直流偏壓引誘，供給至半導體晶圓W的上面(被處理面)。如此在半導體晶圓W的被處理面，電漿的活性種會帶來化學反應及物理反應，被加工膜蝕刻成所望的圖案。此實施形態是如後述般，可使半導體晶圓W上的電漿製程特性亦即蝕刻特性(蝕刻速率、選擇比、蝕刻形狀等)的方位角方向且徑方向的均一性大幅度提升。
如此，在此實施形態的感應耦合型電漿蝕刻裝置中，設於腔室10的頂棚窗之上(天線室56內)的RF天線54是以上下完全分離的一次線圈62及二次線圈64所構成，一旦來自高頻給電部58的高頻放電用的高頻RFH被供給至一次線圈62，則高頻RFH的能量會從一次線圈62經由感應耦合來傳達至二次線圈64，藉由從二次線圈64經由介電質窗52而放射至腔室10內的處理氣體之電磁能量來生成感應耦合的電漿。
亦即，一次線圈62與二次線圈64會以電磁感應來結合，且二次線圈64與腔室10內的電漿會以電磁感應來結合，藉此從高頻給電部58所供給的高頻RFH的功率會經由一次線圈62及二次線圈64來供給至腔室10內的電漿負荷。
如此經由複數的線圈間的感應耦合來對電漿供給RF功率的方式之最大的優點是可使經由最終段的線圈亦即介 電質窗52而對腔室10內的處理氣體主要放射電磁能量的二次線圈64構成無空間的特異點(給電點)完全軸對稱的無端線圈，藉此可使在腔室10內的處理空間所生成的甜甜圈狀電漿內的電漿密度在方位角方向均一化，進而能夠使基座12附近(亦即半導體晶圓W上)的電漿密度分布在方位角方向均一化。
而且，一次線圈62及二次線圈64皆以簡易的構成所容易製作者。並且，對高頻給電部58亦無造成特別大的負擔。
另外，一次線圈62是包含RF給電的輸出入端，非軸對稱的線圈，因此藉由流至一次線圈62的高頻RFH來形成於一次線圈62的周圍之磁場，亦即與二次線圈64互連的磁束是在方位角方向非均一。但，因為流至二次線圈64的感應電流在迴路內的哪個位置皆相同，且二次線圈64為軸對稱的圓形無端線圈，所以藉由流至二次線圈64的感應電流來形成於其周圍(特別是腔室10內)的磁場是在方位角方向的一周成為均一者。
此實施形態的RF天線54是在介電質窗52的上方水平配置平面型的一次線圈62，且使載於介電質窗52的上面來水平安裝平面型的二次線圈64。但，在本發明中，如此的RF天線54的配置構造是其一例，可為各種的變形。
如上述般，二次線圈64是以1個或複數個的無端線圈64(1)~64(3))所構成，與外部的結線是一概不 需要。於是，如圖4A所示，亦可將二次線圈64(無端線圈64(1)~64(3))埋入於介電質窗52的內部來設置。如此在介電質窗52的內部埋設二次線圈64的配置構成中，如圖4B所示，可適合採用各獨立選擇各無端線圈64(1)，64(2)，64(3)的高度位置之構成。另外，雖圖示省略，但實際亦可為只將二次線圈64(無端線圈64(1)~64(3))的一部分設於介電質窗52的內部，將其他的部分設於介電質窗52之上的配置構成。
又，一次線圈62亦非限於平面型，例如圖4B所示般，可適當地採用使各回轉部64(1)，64(2)，64(3)的高度位置按照各對應的無端線圈64(1)，64(2)，64(3)的高度位置，在各對間的感應耦合的效率性或全體的平衡之中，配置於最適的高度位置之構成。
又，如圖4C所示，亦可將構成二次線圈64的無端線圈64(1)，64(2)，64(3)的一部分，例如最外周的無端線圈64(3)配置於介電質窗52的正下方，亦即腔室10內的電漿生成領域。但，當該無端線圈64(3)的材質為銅等的金屬時，是例如以由石英所構成之金屬污染防止用的中空環罩84來覆蓋為理想。
另外，在將二次線圈64設於介電質窗52的內部或腔室10內時，可將一次線圈62儘可能地接近介電質窗52來配置，例如圖4C所示，亦可使載於介電質窗52的上面。
就RF天線54的別的配置構成而言，當二次線圈64 的無端線圈64(1)，64(2)，64(3)為由Si或SiC等的半導體所構成時，如圖4D及圖4E所示，亦可為不使用金屬污染防止罩就那樣使該等的無端線圈64(1)，64(2)，64(3)露出而貼附於石英板窗52的下面之構成、或配置於電漿生成領域之中的構成。
在此實施形態中，對RF天線54的一次線圈62供給高頻RFH的電流之給電方式也可為各種的形態。
圖2的天線構成是對於單一的高頻給電部58串連一次線圈62的第1回轉部62(1)、第2回轉部62(2)及第3回轉部62(3)。
但，如圖5所示，亦可為對於單一的高頻給電部58並聯該等複數的回轉部62(1)、62(2)，62(3)之給電方式。此並列給電方式是來自高頻給電部58之高頻RFH的電流會分歧流至該等複數的回轉部62(1)，62(2)，62(3)。在相對阻抗最低的回轉部(通常是最內周的回轉部62(1))RF電流會分流最多，在相對阻抗最高的回轉部(通常是最外周的回轉部62(3))RF電流會分流最少。
或，如圖6所示，亦可為將一次線圈62的複數的回轉部62(1)、62(2)，62(3)分別予以個別地連接至複數的高頻給電部58(1)，58(2)，58(3)之構成。此情況，無關其相對性的阻抗，可由各高頻給電部58(1)，58(2)，58(3)來將獨立之任意的高頻電流或高頻電流電力供給至各回轉部62(1)，62(2)，62 (3)。
又，如圖7A及圖7B所示，亦可將自上述RF天線54獨立的別的RF天線86配置於介電質窗52的附近之構成。就圖示的構成例而言，是將第1RF天線54配置於徑方向內側(中心部)，將第2RF天線86配置於徑方向外側(周邊部)。第2RF天線86可為圖示那樣單卷(或複卷)的同心圓型線圈、或螺旋型線圈。在兩RF天線54，86最好是由各專用的高頻給電部58(1)，58(2)以個別的功率來供給高頻電流。不過亦可為將來自單一高頻給電部58的高頻電流分配於兩RF天線54，86的方式。
就別的合適的實施例而言，可在本發明的RF天線54的二次線圈64中，將電容器設於其迴路內。當二次線圈64像上述那樣由複數的無端線圈64(1)，64(2)，64(3)所構成時，可在該等無端線圈64(1)，64(2)，64(3)的全部迴路內或其一部分(例如僅64(3))的迴路內設置電容器。具體而言，可在無端線圈64(1)，64(2)，64(3)的線圈導體於周圍方向的一處形成例如間隙寬5mm程度的缺口，在該缺口設置電容器。圖8A及圖8B是顯示在無端線圈64(1)，64(2)，64(3)的全部迴路內分別設置電容器90(1)，90(2)，90(3)的構成例。
本發明者是針對此實施形態的感應耦合型電漿蝕刻裝置實施其次那樣的電磁場模擬。
亦即，求取在二次線圈64插入電容器之圖1的感應 耦合型電漿蝕刻裝置中被激起於電漿中的感應電流的分布時，可取得圖9A(等高線繪製圖)及圖9B(周圍繪製圖)所示那樣的特性。在圖9A及圖9B中亦顯示在圖1的感應耦合型電漿蝕刻裝置中省略二次線圈64而使一次線圈62載於介電質窗52的上面來配置時被激起於電漿中之感應電流的分布特性，作為比較例。
在此電磁場模擬中，一次線圈62是由捲4回的同心圓型線圈所構成者，將其最內周的第1回轉部的半徑設為70mm，將第2回轉部的半徑設為120mm，將第3回轉部的半徑設為170mm，且將最外周的第4回轉部的半徑設為220mm。二次線圈64是對應於一次線圈62的卷線構造，以配置成同心圓狀的4個無端線圈64(1)，64(2)，64(3)，64(4)所構成，將最內周的第1無端線圈64(1)的半徑設為70mm，將第2無端線圈64(2)的半徑設為120mm，將第3無端線圈64(3)的半徑設為170mm，且將最外周的第4無端線圈64(4)的半徑設為220mm。
並且，在此電磁場模擬中，將二次線圈64配置成載於介電質窗52上面的高度，將一次線圈62配置成離二次線圈64的上方5mm。設於無端線圈64(1)，64(2)，64(3)，64(4)的迴路內之電容器90(1)，90(2)，90(3)，90(4)的電容是分別為1547pF、650pF、400pF、250pF。在腔室10內的處理空間藉由感應耦合所生成的甜甜圈狀的電漿是以圓盤形狀的電阻體來模 擬，將此電阻體的半徑設定成250mm，將電阻率設定成100Ωcm，且將表皮厚度設定成10mm。電漿生成用的高頻RFH的頻率為13.56MHz。
如圖9A及圖9B所示，比較例是在對應於一次線圈62的RF給電輸出入端的位置之順時鐘9點的方位(在周圍方向以X軸的正方向作為基準180度)的附近電漿內的感應電流可見偏差。相對的，可知實施例是幾乎無周圍方向的偏差。另外，可知電漿內的感應電流在半徑方向不均一反而較能在擴散後在徑方向取得均一的電漿密度。
並且，作為上述電磁場模擬的一環，在實施例的RF天線54中，求取在一次線圈62流動1A(安培)的RF電流(一次電流)時分別流至二次線圈64的無端線圈64(1)~64(4)的感應電流(二次電流)時，有關各半徑位置的感應電流(二次電流)對RF電流(一次電流)的比，可取得如圖10所示的結果。如圖示般，可知相對於RF電流(一次電流)約1~5倍程度的感應電流(二次電流)會在各半徑位置流動。
並且，針對上述實施例及上述比較例來求取在一次線圈62流動1A的RF電流時被激起於電漿內的電流密度(相當於電漿密度)的徑方向分布時，可取得如圖11所示那樣的特性。如圖示般，可知二次線圈64的有無，在電漿內的電流密度最大會產生5倍程度的差，可藉由二次線圈64的電流倍增效果在電漿中激起大的電流。
通常，在感應耦合方式中為了增加在電漿中所被激起 的電流，可採取提高天線或線圈的卷線密度之方法，但如此一來必然線圈長會拉長，容易引起波長效應的問題。若根據本發明，則可不用拉長線圈長來增大電漿中所激起的電流。而且，從高頻給電部58的整合器72供給至一次線圈62的RF電流少即可，因此容易取整合，亦可抑制整合器72的功率損失。
在本發明中，可適合採用將設於二次線圈64的迴路內的電容器設為可變電容器的形態。作為上述電磁場模擬的一環，將分別設於上述無端線圈64(1)，64(2)，64(3)，64(4)的迴路內的電容器90(1)，90(2)，90(3)，90(4)全部設為可變電容器，使各個的電容以複數的組合來進行各種變化，而求取分別流至各半徑位置的無端線圈64(1)~64(4)的感應電流(二次電流)。其結果，有關各半徑位置的感應電流(二次電流)與流至線圈62的RF電流(一次電流)的比、及電漿內的電流密度的徑方向分布，可取得圖12~圖16所示那樣的特性。
[第1電容調整例]
將電容器90(1)，90(2)，90(3)，90(4)的電容分別設定成1547pF，650pF，400pF，250pF時，各半徑位置的感應電流(二次電流)與RF電流(一次電流)的比為圖12A所示般，電漿內的電流密度的徑方向分布是形成圖12B所示般。
更詳細是如圖12A所示，流至第3無端線圈64(3)(r=170mm)的感應電流最大，流至第1無端線圈64(1)(r=70mm)的感應電流最小，流至第2無端線圈64(2)(r=120mm)及第4無端線圈64(4)(r=220mm)的感應電流是顯示中間的值。如圖12B所示，電漿內的電流密度的徑方向分布是呈現對應於分別在上述4個半徑位置所流動的感應電流的相對大小關係之輪廓。亦即，電漿內的電流密度是顯示在徑方向中於r=170mm附近形成極大之山形的輪廓。
[第2電容調整例]
將電容器90(1)，90(2)，90(3)，90(4)的電容分別設定成3000pF，300pF，300pF，380pF時，各半徑位置的感應電流(二次電流)與RF電流(一次電流)的比為圖13A所示般，電漿內的電流密度的徑方向分布是形成圖13B所示般。
更詳細是如圖13A所示，流至第4無端線圈64(4)(r=220mm)的感應電流突出，成為最大，分別流至其他的無端線圈64(1)，64(2)，64(3)(r=70mm，r=120mm，r=170mm)的感應電流是全部形成最大電流的約1/3。電漿內的電流密度的徑方向分布是如圖13B所示，形成對應於分別在上述4個半徑位置所流動的感應電流的相對大小關係之輪廓。不過有靠半徑方向中心部(r=70mm)的電流密度比半徑方向中間部(r=120mm~ 170mm)的電流密度更相對低的傾向。
[第3電容調整例]
將電容器90(1)，90(2)，90(3)，90(4)的電容分別設定成1547pF，650pF，300pF，380pF時，各半徑位置的感應電流(二次電流)與RF電流(一次電流)的比為圖14A所示般，電漿內的電流密度的徑方向分布是形成圖14B所示般。
更詳細是如圖14A所示2極化，分別流至第偶數個的第2及第4無端線圈64(2)，64(4)(r=120mm，r=220mm)的感應電流大，分別流至第奇數個的第1及第3無端線圈64(1)，64(3)(r=70mm，r=170mm)的感應電流小。如圖14B所示，電漿內的電流密度的徑方向分布也是呈現對應於分別在上述4個半徑位置所流動的感應電流的相對大小關係之輪廓。亦即，電漿內的電流密度是顯示在半徑方向中於中間部的兩處(r=120mm附近及r=170mm附近)形成極大的輪廓。
[第4電容調整例]
將電容器90(1)，90(2)，90(3)，90(4)的電容分別設定成1400pF，500pF，586pF，380pF時，各半徑位置的感應電流(二次電流)與RF電流(一次電流)的比為圖15A所示般，電漿內的電流密度的徑方向分布是形成圖15B所示般。
更詳細是如圖15A所示，流至第1無端線圈64(1)(r=70mm)的感應電流突出，為最大，分別流至其他的無端線圈64(2)，64(3)，64(4)(r=120mm，r=170mm，r=220mm)的感應電流皆是形成最大電流的約3/5。電漿內的電流密度的徑方向分布是如圖15B所示，呈現對應於分別在上述4個半徑位置所流動的感應電流的相對大小關係之輪廓。不過在半徑方向中間部(r=120mm~170mm)之中也有電流密度大幅度掉落之處。
[第5電容調整例]
將電容器90(1)，90(2)，90(3)，90(4)的電容分別設定於1547pF，300pF，300pF，380pF時，各半徑位置的感應電流(二次電流)與RF電流(一次電流)的比為圖16A所示般，電漿內的電流密度的徑方向分布是形成圖16B所示般。
更詳細是如圖16A所示，流至第4無端線圈64(4)(r=220mm)的感應電流突出，為最大，流至第1無端線圈64(1)(r=70mm)的感應電流為最大電流的約2/3，流至第2及第3無端線圈64(2)，64(3)(r=120mm，r=170mm)的感應電流是形成最大電流的約1/3。電漿內的電流密度的徑方向分布是如圖16B所示，呈現對應於分別在上述4個半徑位置所流動的感應電流的相對大小關係之輪廓。
如上述般，在此實施形態的感應耦合型電漿蝕刻裝置 中，是在RF天線54的二次線圈64的迴路內設置可變電容器，藉由可變調整其電容，可控制電漿中所被激起的電流密度(亦即甜甜圈狀電漿內的電漿密度)的徑方向分布，進而能夠將基座12附近(半導體晶圓W上)的電漿密度的徑方向分布改變成任意或多種多樣。因此，在徑方向也可使電漿密度的均一性甚至電漿製程的均一性提升。
此實施形態的感應耦合型電漿蝕刻裝置是例如可適用於以複數的步驟來連續地蝕刻加工基板表面的多層膜之應用。以下，說明有關圖17所示那樣的多層光阻法(Multilayer Resist)之本發明的實施例。
在圖17中，在加工對象的半導體晶圓W的主面，在原來的被加工膜(例如閘極用的Si膜)100上形成有作為最下層(最終遮罩)的SiN層102，且在其上形成作為中間層的有機膜(例如碳)104，更在其上隔著含Si的反射防止膜(BARC)106來形成最上層的光阻劑108。SiN層102、有機膜104及反射防止膜106的成膜是使用藉由CVD(化學的真空蒸鍍法)或旋轉塗佈所形成的塗佈膜，光阻劑108的圖案化是利用光微影技術(Photolithography)。
最初，第1步驟的蝕刻製程，如圖17的(A)所示，以被圖案化的光阻劑108作為遮罩來蝕刻含Si反射防止膜106。此情況，蝕刻氣體是使用CF4/O2的混合氣體，腔室10內的壓力是設定成比較低，例如10mTorr。
其次，第2步驟的蝕刻製程，如圖17的(B)所示，以光阻劑108及反射防止膜106作為遮罩來蝕刻加工有機 膜104。此情況，蝕刻氣體是使用O2的單氣體，腔室10內的壓力是設定成更低，例如5mTorr。
最後，第3步驟的蝕刻製程，如圖17的(C)、(D)所示，以被圖案化的反射防止膜106及有機膜104作為遮罩來蝕刻加工SiN膜102。此情況，蝕刻氣體是使用CHF3/CF4/Ar/O2的混合氣體，腔室10內的壓力是設定成比較高，例如50mTorr。
在上述那樣的多步驟的蝕刻製程中，是按各步驟轉換製程條件的全部或一部分(特別是腔室10內的壓力)，藉此在處理空間內甜甜圈狀電漿的擴散形態會變化。在此，不設置二次線圈64時，在第1及第2步驟的製程(壓力10mTorr以下)是基座12附近的電子密度(電漿密度)會相對性地在中心部出現顯著地隆起那樣陡峭的山形輪廓，在第3步驟的製程(壓力50mTorr)是出現中心部稍微隆起那樣緩和的山形輪廓。
依此實施形態，例如製程處方中，以在通常的製程條件(高頻的功率、壓力、氣體種類、氣體流量等)追加的做法、或使與該等關連的做法，設定電容器90(1)，90(2)‧‧90(n)(例如n=4)的電容作為處方資訊或製程參數之一。而且，在實行上述那樣多步驟的蝕刻製程時，主控制部74會從記憶體讀出顯示電容器90(1)~90(n)的電容之資料，在各步驟使電容器90(1)~90(n)的電容配合設定值(目標值)。
因此，在上述那樣的多層光阻法的蝕刻製程(圖 17)中，例如在上述第1步驟(10mTorr)是轉換成上述第1電容調整例，在上述第2步驟(5mTorr)是轉換成上述第2電容調整例，在上述第3步驟(50mTorr)是轉換成上述第4電容調整例。
如此，在對一片的半導體晶圓W之單一或一連串的電漿處理之中，可對應於製程條件的變更、轉換或變化來可變調整電容器90(1)~90(n)的電容。藉此，經由單片電漿製程的全處理時間或全步驟，可將基座12附近(半導體晶圓W上)的電漿密度的徑方向分布予以多種多樣地變化或最適地控制，使電漿製程的均一性能夠提升。
在圖18中模式性地顯示在此實施形態的感應耦合型電漿蝕刻裝置中，使RF天線54的二次線圈64旋轉運動的實施例。像上述那樣在二次線圈64的迴路內設置電容器時，有可能在電容器的設置處失去二次線圈64的非對稱性，在周圍方向電漿密度分布產生偏差。如此情況，可藉由使二次線圈64在其中心軸線的周圍旋轉運動，時間性地平均在二次線圈64的迴路內所發生之電磁氣性的偏差，而來提高周圍方向(方位角方向)之電漿密度分布的均一性。像上述那樣，二次線圈64是完全閉合的迴路，不需要與外部的結線，因此只要使二次線圈64、或二次線圈64與保持部110旋轉運動。
圖示的旋轉機構112是以由介電質形成的圓板體來構成二次線圈保持部110，且使結合於該保持部110的旋轉 環114經由滑輪或小齒輪116來利用包含馬達的旋轉驅動部118而旋轉驅動。
二次線圈64的構造並非限於上述那樣同心圓狀地配置1個或複數的無端線圈64(1)，64(2)‧‧者。例如圖19所示，亦可為串連的複數卷的同心圓型線圈，或在線圈全體的迴路內插入電容器120的構成。或者，雖圖示省略，但實際亦可將二次線圈64設為螺旋型線圈。
另外，在二次線圈64的迴路內插入電容器時，因為是利用接近直列共振的狀態，所以一旦Q值低，則變化會過急，難以控制，或有可能產生機差。為了防止如此的不利點，二次線圈64的材質是使用電阻率稍微高的金屬或半導體(例如摻雜氮N或磷P來使具有導電性的矽結晶等)為理想，或與電容器一起插入電阻。
並且，在二次線圈64的迴路內從外部挿入的電阻的電阻值或線圈構件的電阻值可知會隨著溫度的上昇而變大。在將RF功率保持於一定而對RF天線54施加高頻RFH時，隨著二次線圈64的電阻值上昇，在此被消耗的功率會増大，因此結果可預料流入一次線圈的電流量會減少。藉此，防止極端大的電流流至1個的線圈，可預料能自動地平均調整RF天線內的電流。
而且，以空冷方式或水冷方式來冷卻RF天線54特別是二次線圈64為理想。如此冷卻線圈64(62)時，在改變其冷卻溫度下，可改變線圈64(62)的電阻率，藉此亦可進行流至線圈64(62)的電流調整。
構成RF天線54的一次線圈62及二次線圈64的迴路形狀並非限於圓形，亦可為四角形或六角形等。線圈62，64的剖面形狀也非限於矩形，亦可為圓形、橢圓形等，且亦非限於單線，亦可為雙絞線。
上述實施形態的感應耦合型電漿蝕刻裝置的構成是其一例，當然電漿生成機構的各部不與電漿生成直接關係的各部構成也可實施各種的變形。
例如，RF天線的基本形態亦可為平面型以外的型例如圓頂型等。亦可為在處理氣體供給部中從頂棚導入處理氣體至腔室10內的構成，亦可為不對基座12施加直流偏壓控制用的高頻RFL之形態。
而且，本發明之感應耦合型的電漿處理裝置或電漿處理方法並非限於電漿蝕刻的技術領域，亦可適用於電漿CVD、電漿氧化、電漿氮化、濺射等其他的電漿製程。並且，本發明的被處理基板並非限於半導體晶圓，亦可為平面直角顯示器用的各種基板、光罩、CD基板、印刷基板等。
10‧‧‧腔室
12‧‧‧基座
14‧‧‧絕緣性筒狀支撐部
16‧‧‧導電性筒狀支撐部
18‧‧‧排氣路
20‧‧‧擋板
22‧‧‧排氣口
24‧‧‧排氣管
26‧‧‧排氣裝置
27‧‧‧搬出入口
28‧‧‧閘閥
30‧‧‧高頻電源
32‧‧‧整合器
34‧‧‧給電棒
36‧‧‧靜電吸盤
36a‧‧‧電極
36b，36c‧‧‧絕緣膜
38‧‧‧聚焦環
40‧‧‧直流電源
42‧‧‧開關
43‧‧‧被覆線
44‧‧‧冷媒室
46，48‧‧‧配管
50‧‧‧氣體供給管
52‧‧‧介電質窗
54‧‧‧RF天線
56‧‧‧天線室
58‧‧‧高頻給電部
60‧‧‧RF給電路線
62‧‧‧一次線圈
62(1)‧‧‧第1回轉部
62(2)‧‧‧第2回轉部
62(3)‧‧‧第3回轉部
64‧‧‧二次線圈
64(1)，64(2)‧‧‧無端線圈
64(3)‧‧‧無端線圈
66‧‧‧支撐板
68‧‧‧地線
70‧‧‧高頻電源
72‧‧‧整合器
74‧‧‧緩衝部
76‧‧‧側壁氣體吐出孔
78‧‧‧處理氣體供給源
80‧‧‧氣體供給管
82‧‧‧主控制部
W‧‧‧半導體晶圓
RFH、RFL‧‧‧高頻

Claims (4)

  1. 一種電漿處理裝置，其特徵係具備：可真空排氣的處理容器，具有介電質的窗；基板保持部，其係於前述處理容器內保持被處理基板；處理氣體供給部，其係為了對前述基板實施所望的電漿處理，而供給所望的處理氣體至前述處理容器內；第1RF天線，其係為了在前述處理容器內藉由感應耦合來生成處理氣體的電漿，而設於前述介電質窗；第1RF給電部，其係將適於前述處理氣體的高頻放電之頻率的高頻電力供給至前述第1RF天線；前述第1RF天線具有：一次線圈，其係配置於前述介電質窗之上或其上方，且經由RF給電路線來電性連接至前述第1RF給電部；及二次線圈，不與RF給電部連接，與前述一次線圈藉由電磁感應耦合，且比前述一次線圈更靠近前述介電質窗的下面；前述二次線圈係由複數個未連結的線圈所構成；構成前述二次線圈之徑彼此不同；前述二次線圈的至少一個線圈的迴路內設有電容器。
  2. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，前述二次線圈呈同心圓狀配置。
  3. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，前述一次線圈係由複數卷的同心型線圈所構成； 前述一次線圈的複數個回轉部係分別對向於由前述二次線圈所構成的複數個線圈配置。
  4. 如申請專利範圍第1~3項所記載之電漿處理裝置，其中，前述電容器為可變電容器；為了控制前述基板上的電漿密度的徑方向分布，而調整其電容。
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