TWI682424B - 電漿處理裝置及電漿處理方法 - Google Patents

Abstract

提供一種在電漿處理裝置(該電漿處理裝置，係利用高頻天線使電漿產生，對被處理基板進行處理)中，調整電漿密度之面內分布的技術。

將高頻電源(50)連接於漩渦狀之高頻天線(5)的內端部(6)，使作為外側端部的中間部位(8)接地，構成第1高頻天線元件(51)，將高頻天線(5)之外端部(7)設成為開放端，將從中間部位(8)至外端部(7)的線路長度設定為λ/4，構成第2高頻天線元件(52)。而且，構成為與高頻電源(50)串聯地設置第1可變容量電容器(55)，與高頻電源(50)並聯地設置第2可變容量電容器(56)，在接地電位與中間部位(8)之間設置第3可變容量電容器(57)，在第1高頻天線元件(51)與第2高頻天線元件(52)分別出現第1及第2共振頻率。

Description

電漿處理裝置及電漿處理方法

本發明，係關於激發處理氣體而對被處理基板進行處理的電漿處理裝置及電漿處理方法。

作為半導體製造製程之一，有使反應氣體電漿化而進行蝕刻、成膜處理等的電漿處理。例如在單片式的電漿處理裝置中，係要求可藉由其處理類別，將基板之面方向中的電漿密度分布調整成適當者。該要求，係具體而言，有根據處理容器內之構造的情形或後處理中之對應於基板面內之處理之偏頗的情形等，因此，不限於在基板之面內全體均勻地處理電漿密度分布的情形，另可列舉出在基板的中央部與周緣部之間，電漿密度分布產生差異的情形等。

作為電漿處理裝置之電漿的產生手法之一，係例如有如下述之手法：對天線供給高頻電力，在處理容器內使感應電場產生而激發處理氣體。例如在專利文獻1中，係記載有如下述之手法：在縱型爐之反應容器的周圍，以包含處理容器之周圍的方式，設置相當於單極天線 的線圈，在處理容器的內部使感應電場產生而激發處理氣體，使電漿產生。像這樣的構成，雖係可能容易調整基板之排列方向的電漿密度，但對於調整基板之面內的電漿密度該點而言，係不適合的構成。

在專利文獻2中，係記載有如下述之構成：設置有作為輸出高頻之高頻天線的線圈狀內側天線及成為與內側天線同心的線圈狀外側天線，分別以高頻之1/2波長的頻率使各天線共振。根據該電漿處理裝置，由於是藉由各天線分別形成有圓形電場，故可精細地調整電漿之密度的面內分布，但必需分別在內側天線與外側天線設置高頻電源。

在專利文獻3中，係記載有以單極天線來包圍處理容器之周圍的電漿處理裝置。又，在專利文獻4中，係記載有藉由提高電漿密度的方式來有效率地處理半導體晶圓的技術。而且，在專利文獻5中，雖係記載有阻抗元件被連接於基板支座與接地間的電漿處理裝置，但皆無法解決本發明的課題。

〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕日本特許4178775號

〔專利文獻2〕日本特開2010-258324號公報

〔專利文獻3〕日本特開2014-075579號公報

〔專利文獻4〕日本特許2613002號

〔專利文獻5〕日本特開平08-017799號公報

本發明，係有鑑於像這樣之情事而進行研究者，其目的，係提供一種可在電漿處理裝置(該電漿處理裝置，係利用高頻天線使電漿產生，對被處理基板進行處理)中，調整電漿密度之面內分布的技術。

本發明之電漿處理裝置，係激發被供給至作為真空環境之處理容器內的處理氣體，使電漿產生，對載置於處理容器內之載置部的被處理基板進行處理，該電漿處理裝置，其特徵係，具備有：高頻天線，由螺狀線圈所構成，連接於由可變頻率電源所構成的高頻電源，該螺狀線圈，係配置為與載置於前述載置部之被處理基板的被處理面相對向；阻抗調整部，包含有用以調整從前述高頻電源觀看高頻天線側時之電路之共振頻率的可變容量電容器；介電質，氣密地分隔前述處理容器內的真空環境與配置有前述高頻天線的空間；及屏蔽構件，包圍配置有前述高頻天線的空間，前述高頻天線，係具備有：第1天線元件，一端接地，並且另一端連接於高頻電源；及第2天線元件，一端 為開放端，並且另一端連接於前述第1天線元件的一端及另一端的一方，線路長度，係設定為〔{λ(λ，係真空中之高頻的波長)/4}+n(n，係自然數)λ/2〕乘以縮短率的長度尺寸，以所使用的電源頻率進行共振，從前述高頻電源觀看高頻天線側時的電路，係構成為在改變高頻的頻率時，出現因應於前述阻抗調整部之調整的第1共振頻率及第2共振頻率。

本發明之電漿處理方法，係使用上述的電漿處理裝置，從前述高頻電源對高頻天線供給第1共振頻率與第2共振頻率之間之頻率的高頻，對被處理基板進行電漿處理。

本發明，係使用將第1天線元件與第2天線元件組合而構成之漩渦狀的高頻天線，該第1天線元件，係一端接地，並且另一端連接於高頻電源，該第2天線元件，係一端為開放端，線路長度，係設定為〔{λ(λ，係真空中之高頻的波長)/4}+n(n，係自然數0、1、2…)λ/2〕乘以縮短率的長度尺寸，以所使用的電源頻率進行共振。而且，以使得分別對應於第1及第2天線元件之第1共振頻率及第2共振頻率出現的方式，設置阻抗調整部。因此，藉由在第1共振頻率及第2共振頻率之間調整高頻之頻率的方式，可調整基板之面內的電漿密度分布。

5‧‧‧高頻天線

9‧‧‧屏蔽盒

10‧‧‧處理容器

12‧‧‧基座

17‧‧‧真空排氣部

21‧‧‧處理氣體供給機構

22‧‧‧介電質窗

50‧‧‧高頻電源

51‧‧‧第1高頻天線元件

52‧‧‧第2高頻天線元件

55~57‧‧‧第1~第3可變容量電容器

W‧‧‧晶圓

〔圖1〕表示本發明之實施形態之電漿處理裝置的剖面圖。

〔圖2〕表示電漿處理裝置之高頻天線的立體圖。

〔圖3〕表示在本發明之實施形態之高頻天線所產生之共振頻率的特性圖。

〔圖4〕表示單極天線的說明圖。

〔圖5〕表示在單極天線所產生之共振頻率的特性圖。

〔圖6〕表示本發明之實施形態之其他例之高頻天線的說明圖。

〔圖7〕表示本發明之實施形態之其他例之高頻天線的說明圖。

〔圖8〕表示本發明之實施形態之其他例之高頻天線的說明圖。

〔圖9〕表示實施例1中之共振頻率的特性圖。

〔圖10〕表示實施例2-1~2-4中之電漿的照片。

〔圖11〕表示實施例2-1~2-4中之標準化電漿密度的特性圖。

說明本發明之實施形態中的電漿處理裝置。 如圖1所示，電漿處理裝置，係構成為使用由螺狀線圈例如面狀的螺狀線圈所構成之RF天線(高頻天線)的電漿蝕刻裝置，具備有接地之例如鋁或不鏽鋼製的處理容器10。在處理容器10的側面，係設置有用以收授作為被處理基板之半導體晶圓(以下稱為晶圓)W的搬入搬出口11，在搬入搬出口11，係設置有用以開關搬入搬出口的閘閥13。

在處理容器10之底面的中央部，係經由以絕緣體所構成的支撐部14，設置有兼用為載置部(該載置部，係載置作為被處理基板的晶圓W)與高頻電極的圓筒形基座12。在基座12中，係經由匹配器32及供電棒34，電性連接有RF偏壓用之高頻電源30。該高頻電源30，係構成為可輸出恒定頻率(13.56MHz以下)的高頻，該恒定頻率，係適於控制吸引至晶圓W之離子的能量。匹配器32，係由用以在高頻電源30側的阻抗與負載(主要是基座、電漿、處理容器)側的阻抗之間取得匹配之可變電抗的匹配電路所構成。

基座12的上面，係設置有用於以靜電吸附力保持晶圓W的靜電夾具36，在靜電夾具36之徑方向外側設置有以環狀包圍晶圓W之周圍的聚焦環38。在基座12的內部，係例如設置有在周方向上延伸之環狀的冷媒室44。由急冷器單元(未圖示)，經由配管46，48，對該冷媒室44循環供給預定溫度的冷媒例如冷卻水，從而藉由冷媒的溫度，便可控制靜電夾具36上之晶圓W的處理 溫度。又，在靜電夾具36的上面，設置於基座12內部之氣體供給路徑60的一端，係形成為開口，在氣體供給路徑60之另一端側，係連接有將傳熱氣體例如He氣體供給至靜電夾具36的上面與晶圓W的背面之間的電熱氣體供給機構61。又，在基座12中，係以在垂直方向貫穿基座12而從靜電夾具36之表面突出/沒入的方式，設置有用以在與外部的搬送臂之間收授晶圓W的升降銷(未圖示)。

又，基座12的周圍與處理容器的內壁之間，係被由衝孔板所構成的環狀隔板39堵塞。又，在處理容器10之底面之隔板39的下方，係形成有排氣口15，在排氣口15，係經由排氣管16而設置有真空排氣部17。

在處理容器10之側壁的內部之搬入搬出口11的上方，係涵蓋側壁的全周，形成有環狀處理氣體供給路徑18。在處理氣體供給路徑18的內周側，係涵蓋全周，形成有朝向處理容器10之內部開口的複數個處理氣體供給口19。在處理氣體供給路徑18，係經由氣體供給管20，連接有用以供給處理氣體的處理氣體供給機構21。關於處理氣體，係只要電漿處理裝置為例如蝕刻裝置，則使用ClF₃或F₂等的蝕刻氣體，只要電漿處理裝置為例如成膜裝置，則使用氨氣、臭氧氣體等之氮化或氧化用的氣體。

在處理容器10的頂板部分，係以氣密地隔開其上方之大氣環境與處理容器10內之真空環境的方式， 與靜電夾具36相對向地設置有由例如石英板等所構成的介電質窗22。在介電質窗22的上面側中，由漩渦狀之平面線圈所構成的高頻天線5，係以經由基座12之上面與介電質窗22而相對向的方式，該例中係被配置於介電質窗22上。配置有高頻天線5的空間，係被作為接地之屏蔽構件的屏蔽盒9包圍。

亦參閱圖2進行說明，在高頻天線5的內端部6，係經由配線53，連接有作為可變頻率電源的高頻電源50。在配線53之高頻電源50與高頻天線5的內端部6之間，係與高頻電源50串聯地設置有第1可變容量電容器55。高頻電源50與第1可變容量電容器55的連接點和接地電極之間，係相對於高頻電源50並聯地設置有第2可變容量電容器56。高頻天線5之外端部7，係形成為開放端，內端部6與外端部7之間的部位(以下，稱為「中間部位」)8，係經由配線54且經由第3可變容量電容器57而接地。在圖1及圖2中，雖係將導電路徑記載為配線53、54，但具體而言，在屏蔽盒9內，係藉由帶狀的銅板連接高頻天線5與屏蔽盒9的端子部，在屏蔽盒9的外側，係使用同軸纜線。

從高頻天線5之內端部6至中間部位8的線路長度雖不特定限定，但例如設定為1m左右的長度尺寸。從高頻天線5之中間部位8至外端部7的線路長度，係為了在該部分產生駐波並輸出較大的高頻能量，而被設定為(λ/4)+n(n，係自然數0、1、2、…)λ/2的長 度尺寸例如λ/4。λ，係真空中之電磁波的波長，因此，嚴格來說，關於高頻天線5之線路長度的特定，係考慮縮短率。因此，所謂線路長度被設定為(λ/4)+n(n，係自然數0、1、2、…)λ/2的長度尺寸，係意味著嚴格來說，線路長度被設定為〔{λ/4}+n(n，係自然數0、1、2、…)λ/2〕乘以縮短率的長度尺寸。縮短率，係受到螺狀線圈之捲繞方式或配置有高頻天線5之周圍之狀況的影響而變化。另外，在下述的說明中，係為了簡化說明，而省略記載關於「乘以縮短率」的表現。

亦即，從高頻天線5之中間部位8至外端部7的線路長度，係只要設成為λ/4之長度尺寸，以所使用的電源頻率進行共振即可。而且，所謂線路長度被設定為λ/4的長度尺寸，係進一步說明，對於後述之2個共振點的頻率之間的高頻及其附近之頻率的高頻，只要在被認為對應於從中間部位8至外端部7的電漿強度可獲得足夠大以處理晶圓W之程度之產生有效的駐波之程度的長度尺寸上設置上述線路長度即可。

在該例子中，從高頻天線5之內端部6至中間部位8，係構成第1高頻天線元件51，該部分，係可說是用以藉由電磁感應使電場產生的線圈。又，從中間部位8至外端部7，係構成第2高頻天線元件52，該部分，係可說是由單極天線所構成的螺旋天線。

當從高頻電源50觀看包含有高頻天線5的電路時，則在形成高頻電源50之可變頻率電源的可變頻率 範圍中，如圖3所示，存在有2個共振頻率(共振點)。圖3，係示意地表示在高頻電源50的可變頻率範圍內，使第1~3可變容量電容器55~57的各容量固定於某一值而改變頻率時之反射率變化的例子。又，藉由調整第1~第3可變容量電容器55~57的方式，可改變如圖3中以箭頭所示的反射率。藉此，可調整第1高頻天線元件51之高頻能量與第2高頻天線元件52之高頻能量的相對功率平衡。

而且，第1可變容量電容器55，係具備有阻抗匹配電路的作用，一起與第3可變容量電容器57相當於用以調整2個共振頻率的阻抗調整部。2個共振頻率的一方及另一方，雖係分別起因於第1高頻天線元件51及第2高頻天線元件52，但哪個共振頻率起因於第1高頻天線元件51及第2高頻天線元件52未能加以掌握。

第2可變容量電容器56，係具有調整從高頻電源50觀看高頻天線5側時之反射率的作用者。然而，藉由第1可變容量電容器55及第3可變容量電容器57所調整的阻抗會因為調整反射率而改變，因此，第2可變容量電容器56亦具有調整共振頻率的作用。因此，在該例子中，第1~3可變容量電容器55~57，係亦可說是相當於調整共振頻率的阻抗調整部。

由於兩者間的容量會因改變高頻天線5與屏蔽盒9的距離而變化，因此，第1共振頻率及第2共振頻率，係例如亦可藉由下述方式來進行調整：設置包含有升 降機構之高頻天線5的高度調整機構，或在屏蔽盒9內設置電性連接於屏蔽盒的板體而變更其高度位置。在該例子中，係由於並未設置高頻天線5的高度調整機構或接地的板體，因此，藉由第1可變容量電容器55及第3可變容量電容器57(或第1~第3可變容量電容器55~57)，調整共振頻率。

如此一來，由於2個共振頻率彼此接近，因此，若以概略方式來敍述的話，藉由在2個共振頻率之間設定高頻電源50之頻率的方式，因應其頻率與2個共振頻率之各個的距離(頻率差)，分配有第1高頻天線元件51的高頻能量與第2高頻天線元件52的高頻能量。而且，2個共振頻率，係可藉由第1~3可變容量電容器55~57來調整，又，第1高頻天線元件51及第2高頻天線元件52，係若以平面觀看時，由於會成為內、外的配置關係，因此，藉由第1~3可變容量電容器55~57，可在晶圓W上的周緣部與中央部之間調整電漿密度分布。

在此，若探討如圖4所示之習知的單極天線100中，由於從天線元件101之中間部位的接地點P至開放端側的共振頻率與從天線元件之中間部位的接地點P至高頻電源側的共振頻率相等，因此，如圖5所示，只會出現1個共振頻率。

接著，說明關於電漿處理裝置的作用。首先，事前地因應晶圓W的處理，藉由阻抗調整部來調整高頻天線5的共振頻率。在該情況下，亦可預先決定所使 用之高頻的頻率從而調整共振頻率，或亦可調整共振頻率與高頻的頻率兩者。藉此，在第1共振頻率及第2共振頻率之間，調整供給至高頻天線5之頻率的位置。

例如有欲使晶圓W之周緣側的蝕刻速度或成膜速度高於晶圓W之中央部側的蝕刻速度或成膜速度之情形，抑或其相反之情形。以可對應於像這樣之每製程的要求來取得晶圓W面內之適當之電漿密度分布的方式，事前掌握各可變容量電容器55~57的調整位置與晶圓W之處理之面內分布之狀態的關係，而預先找出適當的調整位置。具體而言，係可在第1~3可變容量電容器55~57設置致動器，自動地進行容量調整，而將適當的調整位置預先寫入至製程配方中。以此方式，藉由在控制部選擇製程配方的方式或從主電腦導入的方式，形成與其製程配方相抵的電漿密度分布。

當電漿處理裝置運作時，作為被處理基板的晶圓W，係藉由外部之搬送臂與升降銷的協同作用，被載置於靜電夾具36。其次，在關閉閘閥13後，將傳熱氣體供給至靜電夾具36與晶圓W之間，並且開始靜電夾具36之吸附而保持晶圓W，藉由冷卻水的流通等，將晶圓W之溫度設定為設定溫度。

其次，從處理氣體供給口19將處理氣體供給至處理容器10內，並且從排氣口15進行真空排氣，將處理容器10內的壓力調整為預定壓力。其後，開啟高頻電源50，將高頻輸入至高頻天線5。又，開啟基座12側的 高頻電源30，經由供電棒34，將離子吸引控制用之高頻施加至基座12。

在處理容器10內，係藉由根據作為第1高頻天線元件51之感應線圈所形成的磁場與根據第2高頻天線元件52之駐波所形成的磁場，激發處理氣體而產生電漿，進行晶圓W的處理。

在上述的實施形態，係在使用感應耦合電漿的電漿處理裝置中，使用將第1高頻天線元件51與第2高頻天線元件52組合而構成之漩渦狀的高頻天線5，該第1高頻天線元件51，係將高頻電源50連接於內端部6，使作為外側端部的中間部位8接地，該第2高頻天線元件52，係外端部7為開放端，線路長度為λ/4。而且，藉由調整第1~第3可變容量電容器55~57的方式，調整對應於第1高頻天線元件51及第2高頻天線元件52之任一的第1及第2共振頻率。因此，由於可調整被分配於第1高頻天線元件51與第2高頻天線元件52之高頻能量的比例，故可調整晶圓W之面內的電漿密度分布。

又，本發明之實施形態的電漿處理裝置，係亦可如圖6所示，以高頻天線5之第1高頻天線元件51的內端部6接地而中間部位8連接於高頻電源50來取代如圖1及圖2所示的高頻天線5。又，高頻天線5，係亦可如圖7所示，高頻電源50連接於高頻天線5的外端部7，內端部6形成為開放端，從內端部6至中間部位8的線路長度，係構成為(λ/4)+n(n，係整數)λ/2的長 度尺寸，中間部位8接地。在該例子中，從高頻天線5之內端部6至中間部位8之內側的部位，係構成第2高頻天線元件52，從中間部位8至外端部7之外側的部位，係構成第1高頻天線元件51。

而且，在將第2高頻天線元件52構成於高頻天線5之內側的部位、將第1高頻天線元件51構成於高頻天線5之外側的部位的例子中，亦可如圖8所示，使外端部7接地，高頻電源50連接於中間部位8。另外，在圖6~圖8中，係省略了屏蔽盒的圖示。亦即，如圖6~圖8所示的高頻天線5，係只有連接於高頻電源50的位置、接地的位置或開放端的位置與如圖1、圖2等所示之前述實施形態的高頻天線5不同，其餘與前述實施形態同樣地儲存於屏蔽盒9。

又，作為高頻天線5的螺狀線圈，係並不限定於面狀，亦可為中央部與周緣部的高度位置不同而從上方觀看時形成螺狀的螺狀線圈。

而且，高頻天線5的捲繞方向，係從上方觀看高頻天線5，亦可為從內端部6朝向外端部7順時針捲繞，且亦可為反時鐘捲繞。

〔實施例1〕

為了確認本發明之實施形態的效果，而進行以下的試驗。使用作為本發明之實施形態之如圖1所示的電漿處理裝置，在10~60MHz的範圍內改變從高頻電源50所供給 之高頻的頻率，而從高頻電源50側觀測反射率。

圖9，係表示該結果，且表示高頻電源50之頻率與反射率的特性圖。根據該結果，已知在高頻電源50的可變頻率區域中，在22MHz與25MHz的2個頻率中，反射率會下降。因此，已知使用本發明之電漿處理裝置所使用之高頻天線5的電路，係存在有2個共振頻率。

〔實施例2〕

又，作為本發明之實施形態，使用如圖1所示的電漿處理裝置，調查改變可變容量電容器55、56、57的容量時之處理容器10內之電漿的電子密度。分別將調整了可變容量電容器55、56、57之容量的例子設成為實施例2-1~2-4。

圖10，係表示在實施例2-1~2-4中，處理容器10內所激發之電漿的照片，圖11，係橫軸表示在實施例2-1~2-4中，距處理容器10之中心的距離，縱軸表示以電子密度Ne的最大值NeMax來將電子密度Ne標準化的標準化Ne之值的特性圖。根據該結果，在實施例2-1中，中心部附近之標準化Ne的值雖變高，但在實施例2-2中，係與實施例2-1相比，標準化Ne之值在外側的區域中會變更高。又，在實施例2-3、2-4中，係在比中心更往外側的位置，標準化Ne的值成為最高。

根據該結果，已知藉由改變可變容量電容器55、56、57之容量的方式，可改變形成於處理容器10內之電 漿密度的面內分布。

Claims (4)

1. 一種電漿處理裝置，係激發被供給至作為真空環境之處理容器內的處理氣體，使電漿產生，對載置於處理容器內之載置部的被處理基板進行處理，該電漿處理裝置，其特徵係，具備有：高頻天線，由螺狀線圈所構成，連接於由可變頻率電源所構成的高頻電源，該螺狀線圈，係配置為與載置於前述載置部之被處理基板的被處理面相對向；阻抗調整部，包含有用以調整從前述高頻電源觀看高頻天線側時之電路之共振頻率的可變容量電容器；介電質，氣密地分隔前述處理容器內的真空環境與配置有前述高頻天線的空間；及屏蔽構件，包圍配置有前述高頻天線的空間，前述高頻天線，係具備有：第1天線元件，一端部接地，並且另一端部連接於高頻電源；及第2天線元件，一端部為開放端，並且另一端部連接於前述第1天線元件的一端部或另一端部的一方，線路長度，係設定為〔{λ(λ，係真空中之高頻的波長)/4}+n(n，係自然數)λ/2〕乘以縮短率的長度尺寸，以所使用的電源頻率進行共振，從前述高頻電源觀看高頻天線側時的電路，係構成為在改變高頻的頻率時，出現因應於前述阻抗調整部之調整的第1共振頻率及第2共振頻率。
2. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中， 前述阻抗調整部，係包含有在前述高頻電源與高頻天線之間，串聯地連接於該高頻電源的可變容量電容器與設置於前述第2天線元件的另一端部與接地部位之間的可變容量電容器。
3. 如申請專利範圍第1或2項之電漿處理裝置，其中，用以調整高頻之反射率的可變容量電容器，係並聯地連接於前述高頻電源。
4. 一種電漿處理方法，係使用如申請專利範圍第1或2項之電漿處理裝置，從前述高頻電源對高頻天線供給第1共振頻率與第2共振頻率之間之頻率的高頻，對被處理基板進行電漿處理。

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