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等離子體處理方法和等離子體處理裝置.pdf

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等離子體 處理 方法 裝置
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摘要
申請專利號:

CN201110249639.X

申請日:

2011.08.23

公開號:

CN102376559B

公開日:

2015.01.28

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01L 21/3065申請日:20110823|||公開
IPC分類號: H01L21/3065; H01J37/32 主分類號: H01L21/3065
申請人: 東京毅力科創株式會社
發明人: 大矢欣伸; 田邊明良; 安田吉紀
地址: 日本東京都
優先權: 2011.08.04 JP 2011-171005; 2010.08.23 JP 2010-186017
專利代理機構: 北京尚誠知識產權代理有限公司 11322 代理人: 龍淳
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201110249639.X

授權公告號:

102376559B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2012.04.25|||2012.03.14

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供一種等離子體處理方法和等離子體處理裝置,能夠提高RF偏置功能的控制性,針對微細加工的各種要求條件實現等離子體工藝的最優化。該等離子體處理裝置中,從第三高頻電源(66)對上部電極(46)(或下部電極(12))施加適于電容耦合的等離子體生成的高頻(RFH),并且為了控制從等離子體入射到半導體晶片(W)的離子的能量,從第一和第二高頻電源(36)、(38)對基座(12)重疊地施加適于離子引入的2種高頻(RFL1(0.8MHz))、(RFL2(13MHz))。根據工藝的規格、條件或處理方案,控制部88控制2個高頻(RFL1)、(RFL2)的總功率和功率比。

權利要求書

1: 一種等離子體處理方法, 其特征在于, 包括 : 在配置于能夠進行真空排氣的處理容器內的第一電極上載置被處理基板的工序 ; 在所述處理容器內激勵處理氣體來生成等離子體的工序 ; 對所述第一電極重疊地施加頻率不同的第一高頻和第二高頻, 以從所述等離子體向所 述基板引入離子的工序 ; 和 在所述等離子體下對所述基板實施所期望的等離子體處理的工序, 在所述等離子體處理中, 控制所述第一高頻和第二高頻的總功率和功率比, 使得依賴 于被引入到所述基板的離子的能量的規定的工藝特性最優化。
2: 根據權利要求 1 所述的等離子體處理方法, 其特征在于 : 控制所述第一高頻和第二高頻的總功率和功率比, 使得依賴于被引入到所述基板的離 子的能量的多個工藝特性同時最優化。
3: 根據權利要求 1 或 2 所述的等離子體處理方法, 其特征在于 : 對被引入到所述基板的離子的能量分布的最小能量和最大能量獨立地進行控制。
4: 根據權利要求 3 所述的等離子體處理方法, 其特征在于 : 在被引入到所述基板的離子的能量分布中, 最小能量及其附近的能量區域支配性地控 制第一工藝特性, 最大能量及其附近的能量區域支配性地控制第二工藝特性。
5: 根據權利要求 4 所述的等離子體處理方法, 其特征在于 : 在被引入到所述基板的離子的能量分布中, 在最小能量及其附近的能量區域和最大能 量及其附近的能量區域分布相對多的離子, 在中間的能量區域分布的離子相對少。
6: 根據權利要求 3 所述的等離子體處理方法, 其特征在于 : 在被引入到所述基板的離子的能量分布中, 離子在從最小能量到最大能量的整個區域 大致均勻地分布。
7: 根據權利要求 6 所述的等離子體處理方法, 其特征在于 : 所述第一高頻的頻率在 100kHz ~ 6MHz 的范圍內, 所述第二高頻的頻率在 6MHz ~ 40MHz 的范圍內。
8: 根據權利要求 7 所述的等離子體處理方法, 其特征在于 : 調整所述第一高頻和第二高頻的總功率, 以調節被引入到所述基板的離子的能量分布 的寬度。
9: 根據權利要求 8 所述的等離子體處理方法, 其特征在于 : 調整所述第一高頻的功率與所述第二高頻的功率之比, 以調節被引入到所述基板的離 子的能量分布的寬度。
10: 根據權利要求 9 所述的等離子體處理方法, 其特征在于 : 調整所述第二高頻的功率, 以控制被引入到所述基板的離子的最小能量。
11: 根據權利要求 10 所述的等離子體處理方法, 其特征在于 : 調整所述第一高頻和第二高頻的總功率, 以控制被引入到所述基板的離子的最大能 量。
12: 根據權利要求 11 所述的等離子體處理方法, 其特征在于 : 在所述處理容器內, 設置有與所述第一電極隔開規定間隔地平行相對的第二電極, 對 所述第一電極或所述第二電極施加用于使所述處理氣體放電的第三高頻。 2
13: 根據權利要求 12 所述的等離子體處理方法, 其特征在于 : 所述第三高頻的頻率在 27MHz ~ 300MHz 的范圍內。
14: 根據權利要求 4 ~ 13 中任一項所述的等離子體處理方法, 其特征在于 : 對所述第二電極施加負極性的直流電壓, 根據所述第一高頻和第二高頻的總功率和功 率比, 控制所述直流電壓的絕對值。
15: 根據權利要求 14 所述的等離子體處理方法, 其特征在于 : 根據所述第一高頻和第二高頻的總功率和功率比, 求取被引入到所述基板的離子的能 量總量, 所述能量總量越多, 使所述直流電壓的絕對值越大, 所述能量總量越少, 使所述直 流電壓的絕對值越小。
16: 一種等離子體處理裝置, 其特征在于, 包括 : 將被處理基板能夠搬出搬入地收容的能夠進行真空排氣的處理容器 ; 向所述處理容器內供給所期望的處理氣體的處理氣體供給部 ; 在所述處理容器內生成所述處理氣體的等離子體的等離子體生成部 ; 在所述處理容器內載置并保持所述基板的第一電極 ; 對所述第一電極施加具有第一頻率的第一高頻, 以從所述等離子體向所述第一電極上 的所述基板引入離子的第一高頻供電部 ; 對所述第一電極施加具有比所述第一頻率高的第二頻率的第二高頻, 以從所述等離子 體向所述第一電極上的所述基板引入離子的第二高頻供電部 ; 和 控制所述第一高頻和第二高頻的總功率和功率比, 使得依賴于從所述等離子體被引入 到所述基板的離子的能量的至少一個工藝特性最優化。
17: 根據權利要求 16 所述的等離子體處理裝置, 其特征在于 : 所述第一高頻的頻率在 100kHz ~ 6MHz 的范圍內, 所述第二高頻的頻率在 6MHz ~ 40MHz 的范圍內。
18: 根據權利要求 16 或 17 所述的等離子體處理裝置, 其特征在于 : 所述等離子體生成部包括 : 在所述處理容器內與所述第一電極隔開規定間隔地平行相對的第二電極 ; 對所述第一電極或所述第二電極施加具有比所述第二頻率高的第三頻率的第三高頻 以使所述處理氣體放電的第三高頻供電部。
19: 根據權利要求 18 所述的等離子體處理裝置, 其特征在于 : 所述第三高頻的頻率在 27MHz ~ 300MHz 的范圍內。
20: 根據權利要求 19 所述的等離子體處理裝置, 其特征在于, 包括 : 用于對所述第二電極施加負極性的直流電壓的可變直流電源 ; 和 根據所述第一高頻和第二高頻的總功率和功率比, 控制所述直流電壓的絕對值的 DC 偏置控制部。
21: 根據權利要求 19 所述的等離子體處理裝置, 其特征在于 : 所述 DC 偏置控制部包括 : 運算部, 其根據所述第一高頻和第二高頻的總功率和功率比, 求取被引入到所述基板 的離子的能量總量 ; 和 控制器, 該控制器使得 : 所述能量總量越多, 所述直流電壓的絕對值越大, 所述能量總 3 量越少, 所述直流電壓的絕對值越小。

說明書


等離子體處理方法和等離子體處理裝置

    技術領域 本發明涉及對被處理基板實施等離子體處理的技術, 特別是涉及對配置于等離子 體空間的基板施加離子引入用高頻的等離子體處理方法和等離子體處理裝置。
     背景技術 在半導體器件或 FPD(Flat Panel Display, 平板顯示器 ) 的制造工藝 (process, 處理 ) 中的蝕刻、 堆積 ( 沉積 )、 氧化、 濺射等處理中, 為了使處理氣體在比較低的溫度下進 行良好的反應, 大多利用等離子體。 在這種等離子體工藝中, 為了使處理氣體在真空的處理 容器內放電或電離, 使用高頻 (RF) 或微波。
     例如, 在電容耦合型的等離子體處理裝置中, 在處理容器內平行地配置有上部電 極和下部電極, 在下部電極上載置有被處理基板 ( 半導體晶片、 玻璃基板等 ), 對上部電極 或下部電極施加適于等離子體生成的頻率 ( 通常為 13.56MHz 以上 ) 的高頻。通過施加該 高頻, 在相對的電極間生成的高頻電場使電子加速, 因電子與處理氣體的碰撞電離而產生 等離子體。而且, 通過該等離子體中所含的自由基、 離子的氣相反應或表面反應, 在基板上 堆積薄膜, 或者削除基板表面的材料或薄膜。
     這樣, 在等離子體工藝中, 入射到基板的自由基和離子起到重要的作用。特別是, 離子通過入射到基板時的碰撞而發揮物理作用這一點很重要。
     一直以來, 在等離子體工藝中, 大多使用 RF 偏置法, 即, 對載置基板的下部電極施 加頻率較低 ( 通常為 13.56MHz 以下 ) 的高頻, 通過在下部電極上產生的負偏置電壓或鞘電 壓 (sheath voltage), 加速等離子體中的離子并將其引入到基板。 這樣, 通過從等離子體中 加速離子使其與基板表面碰撞, 能夠促進表面反應、 各向異性蝕刻或膜的改質 等。
     現有技術文獻
     專利文獻
     [ 專利文獻 1] 日本特開平 7-302768
     發明內容 發明要解決的課題
     搭載如上所述的 RF 偏置功能的現有等離子體處理裝置中, 將對下部電極施加的 離子引入用高頻限定為 1 種 ( 單一頻率 ), 以該高頻的功率、 下部電極上的自身偏置電壓或 鞘電壓作為控制參數。
     然而, 本發明人在等離子體工藝的技術開發中對于 RF 偏置的作用進行了反復研 究的結果, 明確了在離子引入用途中使用單一高頻的現有方式, 在要求復合的工藝特性的 最尖端的等離子體工藝中, 在離子能量分布的控制性方面存在困難。
     更詳細地講, 當在離子引入用途中使用單一高頻時, 對入射到基板的離子的能量 分布 (IED : Ion Energy Distribution) 進行了解析, 如圖 19A ~ 19C 和圖 20A ~圖 20C 所 示, 所有入射離子的能量定型地收斂于連續的能帶中, 離子大多集中在最大能量附近和最
     小能量附近 ( 出現峰 )。從而, 如果不僅離子能量的平均值, 而且離子大量集中的最大能量 和最小能量能夠自由地變化, 則估計可以提高等離子體工藝中所要求的 RF 偏置功能的控 制性, 但是實際情況并非如此。
     根據現有方式, 在離子引入用途中使用頻率較低的例如 0.8MHz 的高頻的情況下, 如果其 RF 功率可變, 則離子能量分布特性如圖 19A( 低功率 )、 圖 19B( 中功率 )、 圖 19C( 高 功率 ) 所示那樣變化。即, 在最小能量大致固定為 0eV 的狀態下, 最大能量與 RF 功率成比 例地變化為 1000eV( 圖 19A)、 2000eV( 圖 19B)、 3000eV( 圖 19C)。
     然而, 在離子引入用途中使用頻率較高的例如 13MHz 的高頻的情況下, 如果其 RF 功率變化, 則離子能量分布特性如圖 20A( 低功率 )、 圖 20B( 中功率 )、 圖 20C( 高功率 ) 所 示那樣變化。即, 最大能量與 RF 功率成比例地變化為 650eV、 1300eV、 1950eV, 而另一方面, 最小能量也與 RF 功率成比例地變化為 350eV、 700eV、 1050eV。
     另外, 雖然圖 19A ~圖 19C 和圖 20A ~圖 20C 的離子能量分布特性是關于 Ar+( 氬 ) 離子的特性, 但是在其他離子中也能夠觀察到同樣的特性 ( 圖案 )。
     這樣, 在現有方式中, 即便能夠使離子能量分布的最大能量或平均能量任意可變, 也不能使最小能量獨立于最大能量地任意可變。 從而, 不能實現例如由圖 20C 的假想線 ( 點 劃線 )K 表示的離子能量分布特性。基于上述情況, 如在本發明的實施方式的說明中所述的 那樣, 在例如 HARC(High Aspect Ratio Contact, 高深寬比接觸 ) 的等離子體蝕刻中, 不能 巧妙地回避蝕刻速度及選擇比與蝕刻形狀之間的折衷成為問題。 本發明是為了解決上述的現有技術問題而完成的, 其目的在于提供一種能夠提高 RF 偏置功能的控制性, 針對微細加工的各種要求條件實現等離子體工藝的最優化的等離子 體處理方法和等離子體處理裝置。
     用于解決課題的方法
     本發明的等離子體處理方法, 在能夠進行真空排氣的處理容器內配置的第一電極 上載置被處理基板的工序 ; 在上述處理容器內激勵處理氣體來生成等離子體的工序 ; 對上 述第一電極重疊地施加頻率不同的第一高頻和第二高頻, 以從上述等離子體向上述基板引 入離子的工序 ; 和在上述等離子體下對上述基板實施所期望的等離子體處理的工序, 在上 述等離子體處理中, 控制上述第一高頻和第二高頻的總功率和功率比, 使得依賴于被引入 到上述基板的離子的能量的至少 1 個工藝特性最優化。
     另外, 本發明的等離子體處理裝置, 將被處理基板能夠搬出搬入地收容的能夠進 行真空排氣的處理容器 ; 向上述處理容器內供給所期望的處理氣體的處理氣體供給部 ; 在 上述處理容器內生成上述處理氣體的等離子體的等離子體生成部 ; 在上述處理容器內載置 并保持上述基板的第一電極 ; 對上述第一電極施加具有第一頻率的第一高頻, 以從上述等 離子體向上述第一電極上的上述基板引入離子的第一高頻供電部 ; 對上述第一電極施加具 有比上述第一頻率高的第二頻率的第二高頻, 以從上述等離子體向上述第一電極上的上述 基板引入離子的第 二高頻供電部 ; 和控制上述第一高頻和第二高頻的總功率和功率比, 使 得依賴于從上述等離子體被引入到上述基板的離子的能量的至少一個工藝特性最優化。
     在本發明中, 對載置被處理基板的第一電極重疊地施加分別具有適于離子引入的 第一頻率和第二頻率的第一高頻和第二高頻, 對這些第一高頻和第二高頻的總功率和功率 比可變地進行控制。由此, 能夠在從等離子體入射到基板的離子的能量分布中獨立地控制
     最小能量和最大能量, 進而, 也能夠使離子能量分布特性的形狀為凹形或平坦形, 能夠針對 各種工藝特性或復合的工藝特性, 使離子能量分布特性最優化, 進而使工藝特性最優化。
     發明的效果
     根據本發明的等離子體處理方法和等離子體處理裝置, 通過如上所述的結構和作 用, 能夠提高 RF 偏置功能的控制性, 針對微細加工的各種要求條件實現等離子體工藝的最 優化。 附圖說明 圖 1 是表示本發明一個實施方式的等離子體處理裝置的結構的縱截面圖。
     圖 2 表示實施方式的雙頻 RF 偏置法中的鞘電壓和離子響應電壓的波形。
     圖 3 表示實施方式中所使用的變換函數。
     圖 4 表示單頻 RF 偏置法中的離子能量分布和離子響應電壓。
     圖 5 表示雙頻 RF 偏置法中的離子能量分布和離子響應電壓。
     圖 6A 表示在實施方式中, 在使離子能量分布的最大能量固定不變的情況下, 能夠 在一定范圍內任意調節最小能量的功能。
     圖 6B 表示在使離子能量分布的最大能量固定不變的情況下, 能夠在一定范圍內 任意調節最小能量的功能。
     圖 6C 表示在使離子能量分布的最大能量固定不變的情況下, 能夠在一定范圍內 任意調節最小能量的功能。
     圖 7A 表示在實施方式中, 在使離子能量分布的最小能量固定不變的情況下, 能夠 在一定范圍內任意調節最大能量的功能。
     圖 7B 表示在使離子能量分布的最小能量固定不變的情況下, 能夠在一定范圍內 任意調節最大能量的功能。
     圖 7C 表示在使離子能量分布的最小能量固定不變的情況下, 能夠在一定范圍內 任意調節最大能量的功能。
     圖 8A 表示在實施方式中, 在使能量中心值固定不變的情況下, 能夠使能帶的寬度 在一定范圍內任意可變的功能。
     圖 8B 表示在使能量平均值 ( 中心值 ) 固定不變的情況下, 能夠使能帶的寬度在一 定范圍內任意可變的功能。
     圖 8C 表示在使能量平均值固定不變的情況下, 能夠使能帶的寬度在一定范圍內 任意可變的功能。
     圖 8D 表示在使能量平均值固定不變的情況下, 能夠使能帶的寬度在一定范圍內 任意可變的功能。
     圖 8E 表示在使能量平均值固定不變的情況下, 能夠使能帶的寬度在一定范圍內 任意可變的功能。
     圖 9 用于說明實施方式的雙頻偏置法中的頻率的組合方法。
     圖 10 是示意地表示 HARC 工藝的蝕刻加工的縱截面圖。
     圖 11A 是表示在 SiO2 膜的蝕刻中, 使 C4F8 氣體的流量變化時的蝕刻速度和 CF 聚 合膜的厚度的曲線圖。
     圖 11B 是表示 SiN 膜的蝕刻中, 使 C4F8 氣體的流量變化時的蝕刻速度和 CF 聚合膜 的厚度的曲線圖。
     圖 12 是示意地表示 HARC 工藝中的縮頸 (necking, 柱頸 ) 的縱截面圖。
     圖 13 是表示 HARC 工藝中的氧化膜和有機膜的蝕刻效率的離子能量依賴性, 和以 現有方式的單頻偏置與此對應的情況下離子能量分布特性的特性圖。
     圖 14 是表示 HARC 工藝中的氧化膜和有機膜的蝕刻效率的離子能量依賴性, 和以 實施方式的雙頻偏置與此對應的情況下離子能量分布特性的特性圖。
     圖 15 表示在 HARC 工藝中離子入射到掩模 ( 有機膜 ) 的各部分時的入射角度。
     圖 16 表示在利用雙頻偏置法的 HARC 工藝中所得到的圖案 (pattern) 截面形狀和 特性數據。
     圖 17 表示在利用雙頻偏置法的 HARC 工藝中所得到的圖案截面形狀 ( 放大圖 ) 和 特性數據。
     圖 18 是表示其他實施方式的等離子體處理裝置的結構的縱截面圖。
     圖 19A 表示在使用頻率較低的現有的單頻偏置法中使 RF 功率降低時所得到的離 子能量分布。 圖 19B 表示在使用頻率較低的現有的單頻偏置法中將 RF 功率選擇為中等的值時 所得到的離子能量分布。
     圖 19C 表示在使用頻率較低的現有的單頻偏置法中使 RF 功率提高時所得到的離 子能量分布。
     圖 20A 表示在使用頻率較高的現有的單頻偏置法中使 RF 功率降低時所得到的離 子能量分布。
     圖 20B 表示在使用頻率較高的現有的單頻偏置法中將 RF 功率選擇為中等的值時 所得到的離子能量分布。
     圖 20C 表示在使用頻率較高的現有的單頻偏置法中使 RF 功率提高時所得到的離 子能量分布。
     具體實施方式
     以下, 參照圖 1 ~圖 18 說明本發明的優選實施方式。
     [ 裝置整體結構 ]
     圖 1 表示本發明一個實施方式的等離子體處理裝置的結構。該等離子體處理裝 置構成為下部雙頻 / 上部單頻施加方式的電容耦合型等離子體蝕刻裝置, 例如具有表面進 行過耐蝕鋁 (alumite) 處理 ( 陽極氧化處理 ) 的由鋁構成的圓筒形的真空腔室 ( 處理容 器 )10。腔室 10 安全接地。
     在腔室 10 的底部, 隔著陶瓷等絕緣板 12 配置有圓柱形的基座支承臺 14, 在該基座 支承臺 14 上例如設置有由鋁構成的基座 16。基座 16 構成下部電極, 在其上作為被處理基 板, 例如載置有半導體晶片 W。
     在基座 16 的上表面設置有用于以靜電吸附力保持半導體晶片 W 的靜電卡盤 18。 該靜電卡盤 18 將由導電膜構成的電極 20 夾在一對絕 緣層或絕緣片之間, 直流電源 22 經 由開關 24 與電極 20 電連接。利用來自直流電源 22 的直流電壓, 能夠以靜電力將半導體晶片 W 吸附保持在靜電卡盤 18。在靜電卡盤 18 的周圍, 在基座 16 的上表面, 配置有用于提高 蝕刻的面內均勻性的例如由硅構成的聚集環 26。 在基座 16 和基座支承臺 14 的側面貼附有 例如由石英構成的圓筒形的內壁部件 28。
     在基座支承臺 14 的內部, 設置有例如沿著圓周方向延伸的制冷劑室或制冷劑通 道 30。在該制冷劑通道 30, 從外設的制冷單元 ( 未圖示 ) 經由配管 32a、 32b 循環供給規定 溫度的制冷劑例如冷卻水 cw。能夠根據制冷劑 cw 的溫度控制基座 16 上的半導體晶片 W 的 處理溫度。進而, 來自傳熱氣體供給機構 ( 未圖示 ) 的傳熱氣體例如 He 氣, 經由氣體管路 34, 被供給到靜電卡盤 18 的上表面與半導體晶片 W 的背面之間。
     離子引入用第一高頻電源 36 和第二高頻電源 38 分別經由下部匹配器 40、 42 和下 部供電導體 44、 46 與基座 16 電連接。 下部供電導體 44、 46 也可以是共用導體例如供電棒。
     第一高頻電源 36 構成為對基座 16 上的半導體晶片 W, 以可變的功率輸出適于引 入等離子體的離子的頻率較低的例如 0.8MHz 的第一高頻 RFL1。另一方面, 第二高頻電源 38 構成為對基座 16 上的半導體晶片 W, 以可變的功率輸出適于引入等離子體的離子的頻率較 高的例如 13MHz 的第二高頻 RFL2。
     在基座 16 的上方, 與該基座平行相對地設置有上部電極 48。 該上部電極 48 包括 : 具有多個氣體噴出孔 50a 的例如由 Si、 SiC 等半導體材料構成的電極板 50 ; 和可裝卸地支 承該電極板 50 的由導電材料例如表面進行過耐蝕鋁處理的鋁構成的電極支承體 52, 通過 環形的絕緣體 54 安裝在腔室 10 的上部。在該上部電極 48 與基座 16 之間設置有等離子體 生成空間或處理空間 PS。環形絕緣體 54 例如由氧化鋁 (Al2O3) 構成, 氣密地堵塞上部電極 48 的外周面與腔室 10 的側壁之間的間隙, 非接地且物理地支承上部電極 48。
     電極支承體 52 構成為 : 其內部具有氣體緩沖室 56, 并且在其下表面具有從氣體緩 沖室 56 連通到電極板 50 的氣體噴出孔 50a 的多個氣體通氣孔 52a。處理氣體供給源 60 經 由氣體供給管 58 與氣體緩沖室 56 連接, 在氣體供給管 58 設置有質量流量控制器 (MFC)62 和開關閥 64。當從處理氣體供給源 60 向氣體緩沖室 56 導入規定的處理氣體時, 從電極板 50 的氣體噴出孔 50a, 朝向基座 16 上的半導體晶片 W, 將處理氣體噴淋狀地噴出到處理空間 PS。這樣, 上部電極 48 兼用作向處理空間 PS 供給處理氣體的噴淋頭。
     經由上部匹配器 68 和上部供電導體例如供電棒 70, 等離子體激勵用的第三高頻 電源 66 與上部電極 48 電連接。第三高頻電源 66 構成為以可變的功率輸出適于處理氣體 的電容耦合的高頻放電即等離子體生成的頻率例如 60MHz 的第三高頻 RFH。另外, 等離子體 生成用的第三高頻 RFH 的頻率通常在 27MHz ~ 300MHz 的范圍內選擇。
     形成在基座 16 以及基座支承臺 14、 與腔室 10 的側壁之間的環形空間成為排氣空 間, 在該排氣空間的底部設置有腔室 10 的排氣口 72。該排氣口 72 經由排氣管 74 與排氣裝 置 76 連接。排氣裝置 76 具有渦輪分子泵等真空泵, 能夠將腔室 10 的室內、 特別是處理空 間 PS 減壓到規定的真空度。另外, 在腔室 10 的側壁安裝有開閉半導體晶片 W 的搬入搬出 口 78 的門閥 80。
     設置在腔室 10 的外部的可變直流電源 82 的一方端子即輸出端子, 經由開關 84 和 直流供電線 85 與上部電極 48 電連接。可變直流電源 82 例如能夠輸出 -2000 ~ +1000V 的 直流電壓 VDC。 可變直流電源 82 的另一方端子接地。 可變直流電源 82 的輸出 ( 電壓、 電流 ) 的極性、 絕對值和開關 84 的通、 斷切換, 在來自后述的控制部 88 的指示下, 由 DC 控制器 83控制。 設置在直流供電線 85 中途的濾波器電路 86 構成為 : 將來自可變直流電源 82 的直 流電壓 VDC 貫通 (through) 地施加于上部電極 48, 另一方面, 使從基座 12 通過處理空間 PS 和上部電極 48 進入到直流供電線 85 的高頻流向接地線, 而不是流向可變直流電源 82 一 側。
     另外, 在腔室 10 內, 在面對處理空間 PS 的適當位置, 安裝有例如由 Si、 SiC 等導電 性材料構成的 DC 接地部件 ( 未圖示 )。該 DC 接地部件經由接地線 ( 未圖示 ) 總是接地。
     控制部 88 包括微型計算機, 單獨或統一地控制該等離子體蝕刻裝置內的各部分 的動作, 例如靜電卡盤用的開關 24、 第一、 第二和第三 高頻電源 36、 38、 66、 匹配器 40、 42、 68、 處理氣體供給部 (60、 62、 64)、 排氣裝置 76、 DC 偏置用的可變直流電源 82 和開關 84、 制 冷單元、 傳熱氣體供給部等的動作。另外, 控制部 88 還連接有人機接口用的觸摸屏 ( 未圖 示 ) 和存儲各種程序、 設定值等數據的存儲裝置 ( 未圖示 )。 另外, 在本實施方式中, 控制部 88 和 DC 控制器 83 構成 DC 偏置控制部。
     在該等離子體蝕刻裝置中, 為了進行蝕刻加工, 首先使門閥 80 為打開狀態, 將加 工對象的半導體晶片 W 搬入到腔室 10 內, 載置在靜電卡盤 18 上。然后, 從處理氣體供給 源 60 以規定的流量和流量比向腔室 10 內導入規定的處理氣體即蝕刻氣體 ( 一般是混合氣 體 ), 通過由排氣裝置 76 進行真空排氣而使腔室 10 內的壓力成為設定值。進而, 從第三高 頻電源 66 以規定的功率對上部電極 46 施加等離子體生成用的第三高頻 RFH(60MHz)。另一
     方面, 從第一和第二高頻電源 36、 38 分別以規定的功率對基座 ( 下部電極 )16 施加離子引 入用的第一高頻 RFL1(0.8MHz) 和第二高頻 RFL2(13MHz)。另外, 使開關 24 接通, 通過靜電吸 附力, 將傳熱氣體 (He 氣 ) 封閉在靜電卡盤 18 與半導體晶片 W 之間的接觸界面。另外, 根 據需要, 使開關 84 接通, 對上部電極 48 施加來自可變直流電源 82 的規定的直流電壓 VDC。 從噴淋頭 ( 上部電極 )48 排出的蝕刻氣體在兩電極 16、 48 之間通過高頻放電而等離子化, 半導體晶片 W 的主面的膜被該等離子體所含的自由基或離子蝕刻。
     本實施方式的等離子體蝕刻裝置, 為了控制工藝中從等離子體入射到半導體晶片 W 的離子的能量, 具有從 2 個高頻電源 36、 38 對基座 12 重疊地施加適于離子引入的 2 種高 頻 RFL1(0.8MHz)、 RFL2(13MHz) 的硬件結構 (32 ~ 46), 根據蝕刻加工的規格、 條件或處理方 案, 控制部 88 控制 2 個高頻 RFL1、 RFL2 的總功率和功率比。
     [ 實施方式中的 RF 偏置功能 ]
     在本實施方式的等離子體蝕刻裝置中, 如上所述, 在工藝中從第一高頻電源 36 和 第二高頻電源 38, 將離子引入用的第一高頻 RFL1(0.8MHz) 和第二高頻 RFL2(13MHz) 重疊地 施加于基座 ( 下部電極 )16。于是, 在面對等離子體生成空間 PS 的基座 16 或半導體晶片 W 的 表面生成的離子鞘, 產生如圖 2 所示的重疊有 2 個高頻 RFL1、 RFL2 的負極性的鞘電壓 VS(t)。另外, 圖 2 中, 表示為了易于了解離子鞘中重疊有 2 個高頻 RFL1、 RFL2 的狀態, 使第二 高頻 RFL2 的電壓 ( 功率 ) 比第一高頻 RFL1 的電壓 ( 功率 ) 明顯小的情況。
     來自等離子體的離子被這樣的鞘電壓 VS(t) 加速, 入射到半導體晶片 W 的表面。 這 時, 入射離子的加速度或能量依賴于這時的鞘電壓 VS(t) 的瞬時值 ( 絕對值 )。即, 當鞘電 壓 VS(t) 的瞬時值 ( 絕對值 ) 較大時, 進入到離子鞘內的離子以較大的加速度或動能入射 到晶片表面, 當鞘電壓 VS(t) 的瞬時值 ( 絕對值 ) 較小時, 進入到離子鞘內的離子以較小的加速度或動能入射到晶片表面。
     當然, 在離子鞘內, 離子相對于鞘電壓 VS(t) 以小于等于 100% ( 系數 1) 的某靈敏 度響應 ( 加速運動 )。該響應靈敏度或變換函數 α(f) 如圖 3 所示, 依賴于 RF 偏置所使用 的高頻的頻率 f( 反比 ) 地變化, 用下述式 (1) 表示。 p
     α(f) = 1/{(cfτi) +1}1/p......(1)
     式中, c = 0.3×2π, p = 5, τi = 3s(M/2eVS), M 是離子的質量數, s 是離子的鞘 通過時間, VS 是鞘電壓。
     從而, 有助于離子鞘內的離子加速的有效 ( 實際 ) 鞘電壓即離子響應電壓 Vi(t) 用 下述式 (2) 表示。
     Vi(t) = α(f)VS(t)......(2)
     圖 2 所示的離子響應電壓 Vi(t) 和圖 3 所示的變換函數 α(f) 是關于 Ar+ 離子的 情況, 而其他的離子相對于鞘電壓 VS(t) 和 RF 偏置的頻率也表現出同樣的特性。
     從 圖 2 的 電 壓 波 形 可 知, 離子鞘內的離子相對于頻率較低的第一高頻 RFL1(0.8MHz) 以大約 100%的靈敏度 (α(f) ≈ 1) 響應 ( 加速運動 ), 相對于頻率較高的第 二高頻 RFL2(13MHz), 以大約 50%的靈敏度 (α(f) ≈ 0.5) 響應 ( 加速運動 )。 基于如上所述的離子響應電壓 Vi(t), 能夠根據下述式 (3) 以圖 4 和圖 5 所示的方 法, 計算求取離子能量分布 IED。
     IED(Ei) ∝∑ i(dVi/dti)......(3)
     圖 4 表示 RF 偏置中使用具有較低頻率的單一高頻時的 IED 和離 子響應電壓 Vi(t)。另一方面, 圖 5 表示 RF 偏置中使用分別具有較低頻率和較高頻率的 2 個高頻時的 IED 和離子響應電壓 Vi(t)。
     根據 RF 偏置中使用單一高頻的單頻偏置法, 如參照圖 19A ~圖 19C 和圖 20A ~圖 20C 進行的說明那樣, 離子能量分布 (IED) 成為定型地在最大能量附近和最小能量附近大 量集中離子 ( 出現峰 ) 那樣的分布形狀, 形成了無論 RF 功率怎樣變化, 也不能夠使最小能 量任意可變的制約。
     與 此 相 對, 根 據 如 本 實 施 方 式 這 樣 的 RF 偏 置 中 使 用 2 個 高 頻 RFL1(0.8MHz)、 RFL2(13MHz) 的雙頻偏置法, 通過調整 2 個高頻 RFL1、 RFL2 的總功率和 / 或功率比, 能夠獨立 地控制離子能量分布 (IED) 的最大能量和最小能量的每一個。
     即, 在本實施方式中, 如圖 6A ~圖 6C 所示, 在將最大能量固定為例如約 2000eV 的 情況下, 能夠在例如約 0eV ~ 1000eV 的范圍內任意調節最小能量。
     另外, 如圖 7A ~圖 7C 所示, 在將最小能量固定為例如約 350eV 的情況下, 能夠在 例如約 650eV ~ 2650eV 的范圍內任意調節最大能量。
     另外, 圖 6A ~圖 6C 和圖 7A ~圖 7C 中的 IED 特性, 是針對 Ar+ 離子計算出的。即 使是其他離子, 圖案上也能夠得到同樣的特性。另外, 2 個高頻 RFL1(0.8MHz)、 RFL2(13MHz) 的電壓值是各個頻率的偏置電壓的振幅值, 也能夠換算為 RF 功率。
     另外, 在本實施方式中, 如圖 6B[RFL1(0.8MHz) = 340V, RFL2(13MHz) = 1000V]、 圖 7B[RFL1(0.8MHz) = 500V, RFL2(13MHz) = 500V] 所示, 通過雙頻的 RF 偏置, 還能夠使離子 在能帶的整個區域大致均勻地分布。進而, 如圖 7C[RFL1(0.8MHz) = 1000V, RFL2(13MHz) = 500V] 所示, 還能夠使中間能量的離子入射數比最小能量和最大能量的離子入射數多。
     進而, 在本實施方式中, 如圖 8A[RFL1(0.8MHz) = 1500V, RFL2(13MHz) = 0V]、 圖 8B[RFL1(0.8MHz) = 1125V, RFL2(13MHz) = 375V]、 圖 8C[RFL1(0.8MHz) = 750V, RFL2(13MHz) = 750V]、 圖 8D[RFL1(0.8MHz) = 375V, RFL2(13MHz) = 1125V]、 圖 8E[RFL1(0.8MHz) = 0V, RFL2(13MHz) = 1500V] 所示, 通過雙頻的 RF 偏置, 還能夠在將能量平均值或中心值固定為 例如 1500V 的情況下, 在例如約 1000eV 到約 3000V 的范圍內使能帶的寬度 EW 任意可變。
     這樣, 在本實施方式中, 能夠在 RF 偏置中僅使用第一高頻 RFL1(0.8MHz) 時的 IED 特性 ( 圖 8A) 與 RF 偏置中僅使用第二高頻 RFL2(13MHz) 時的 IED 特性 ( 圖 8E) 之間, 任意 調節能帶的寬度 EW 來得到中間的 IED 特性。
     另 外, 即 使 在 中 間 IED 特 性 中, 當 第 二 高 頻 RFL2 與 第 一 高 頻 RFL1 的 功 率 比 為 1125V ∶ 375V = 3 ∶ 1 時所得到的圖 8B 的 IED 特性, 也表現出特征性的凹形分布形狀。 即, 在最小能量及其附近的能量區域 ( 約 250eV ~約 750eV) 和最大能量及其附近的能量區域 ( 約 2250eV ~約 2750eV), 離子帶狀地集中, 在中間的能量區域 ( 約 750eV ~約 2250eV), 均勻 ( 一樣 ) 地離子分布數少。該凹形的 IED 特性, 與如使用 2 個高頻 RFL1、 RFL2 中任一個 的情況那樣離子尖峰地集中在最小能量和最大能量的 U 形的 IED 特性 ( 圖 8A、 圖 8E) 也不 同。 另外, 雖然省略了圖示, 但即使是在圖 8D[RFL1(0.8MHz) = 375V, RFL2(13MHz) = 1125V] 與圖 8E[RFL1(0.8MHz) = 0V, RFL2(13MHz) = 1500V] 的中間, 即, 當第二高頻 RFL2 與 第一高頻 RFL1 的功率比為約 1 ∶ 30 時, 也能夠得到與圖 8B 同樣的凹形的中間 IED 特性。
     這樣, 本實施方式中, 在 RF 偏置中將頻率不同的第一高頻 RFL1 和第二高頻 RFL2 組 合地使用, 控制它們的總功率和 / 或功率比, 由此能夠針對入射到基座 12 上的半導體晶片 W 的表面的離子的能量分布 (IED), 對能帶寬度和分布形狀、 進而入射能量的總量進行各種 控制。
     這里, 第一高頻 RFL1 和第二高頻 RFL2 的頻率不限于上述的值 (0.8MHz, 13MHz), 可 以在一定的范圍內任意選定。如從圖 8A 的 IED 特性與圖 8E 的 IED 特性的對比可知那樣, 單頻偏置中的離子能量分布的寬度 ( 能帶 )EW, 頻率越低時越寬, 頻率越高時越窄。
     這一點如圖 9 所示, 與頻率和變換函數 α(f) 的關系相對應。從而, 為了擴大能帶 + EW 的可變范圍, 雖然也依賴于在蝕刻工藝中起到支配作用的離子的種類 (F 、 Ar+、 C4F6+ 等 ), 但是基本上, 將第一高頻 RFL1 的頻率選定為較低的值 ( 優選 100kHz ~ 6MHz), 將第二高頻 RFL2 的頻率選定為較高的值 ( 優選 6MHz ~ 40MHz) 即可。特別是, 當第二 高頻 RFL2 的頻 率過高時, 即超過 40MHz 時, 由于等離子體生成效應增強, 不再適合作為 RF 偏置, 因此優選 40MHz 以下的頻率。
     [ 關于工藝的實施例 ]
     如上所述, 本實施方式的等離子體蝕刻裝置與該種的現有裝置相比, 能夠顯著提 高 RF 偏置功能的控制性, 特別是在各向異性蝕刻中發揮很大的工藝性能。
     這里, 作為能夠適于使用本實施方式的等離子體蝕刻裝置的蝕刻加工, 以圖 10 所 示的 HARC(High Aspect Ratio Contact) 工藝作為例子。HARC 工藝是在絕緣膜或氧化膜 ( 典型而言是 SiO2 膜 )90 形成細且深的接觸孔 ( 或通孔 )92 的蝕刻加工技術, 在大規模集 成電路的制造工藝中的 BEOL(Back End Of Line, 后端工序 ) 的接觸蝕刻 ( 或通孔蝕刻 ) 中 使用。
     在 HARC 工藝中, 為了形成高深寬比的微細孔 92, 要求高精度的各向異性形狀和 相對于掩模 94( 和基底膜 96) 的高的選擇比。因而, 采用如下方法 : 使用碳氟化合物系 (fluorocarbon) 的氣體作為腐蝕 ( 蝕刻 ) 氣體, 通過 CFx 自由基, 在掩模 94 和 SiO2 模 90 的孔 92 的側壁 98, 作為側壁保護膜堆積聚合膜, 并且通過 RF 偏置, 將 CFx+ 或 Ar+ 等的離子 垂直引入到 SiO2 膜 90 的孔 92 中進行垂直蝕刻。這種情況下, 由于化學的活度高的 F 自由 基使各向異性和選擇性兩方面降低, 因此廣泛使用 F 自由基生成少且 C/F 比大的 C4F8、 C5F8、 C4F6 等氣體。
     在這樣的 HARC 工藝中, 為了提高 SiO2 膜的蝕刻速度, 需要 (1) 增加離子入射量, (2) 增加自由基中的 F 總量, 以及 (3) 充分的離子能量。因而, 采用如下方法 : 針對上述 (1) 的要求條件, [1] 調整等離子體生成用高頻的功率, 針對上述 (2) 的要求條件, [2] 調整碳氟 化合物氣體 ( 例如 C4F8) 的流量, 針對上述 (3) 的要求條件, [3] 調整離子引入用高頻的功 率。
     另外, 為了提高 SiO2 膜 90 相對于掩模 94( 和基底膜 96) 的選擇比, 需要 (4) 適當 的 O2/C4F8 流量比和 (5) 增加 Ar 稀釋的總氣體流量。因而, 采用針對上述 (4) 的要求條件, [4] 調整 O2 氣流量, 針對上述 (5) 的要求條件, [5] 調整 Ar 氣體流量的方法。
     另外, 關于選擇比的上述 (4)、 (5) 的要求條件, 基于下述的蝕 刻機理。即, 在蝕刻 中的穩定狀態下總是對 SiO2 膜的表面照射碳氟化合物自由基, 因此在其表面上存在數分子 層的 CF 膜。該 CF 膜的厚度與蝕刻速度存在密切的關系。
     圖 11A 和圖 11B 表示在使用 C4F8/Ar/O2 的混合氣體作為蝕刻氣體的情況下, 使 Ar 氣體和 O2 氣的流量固定, 并使 C4F8 氣體的流量變化時 SiO2 膜和 SiN 膜各自的蝕刻速度和在 它們的膜表面分別堆積的 CF 聚合膜的厚度。
     如圖 11A 所示, 在 SiO2 的蝕刻中, 當提高 C4F8 流量時, 蝕刻速度 (E/R) 增大到 11sccm, 在 11sccm 表現出極大值之后, 與 CF 膜厚的增加成反比地減少, 在 22sccm 以上成為 水平。這里, C4F8 流量為 11sccm 時的 SiO2 上的 CF 膜厚薄到 1nm, 不過, 這是因為在 SiO2 蝕 刻時所釋放的氧與 CF 膜發生反應, 從而生成揮發性的物質 ( 即去除 CF 膜 )。
     另一方面, 如圖 11B 所示, 在 SiN 的蝕刻中, 不釋放氧, 而代之釋放氮, 但是由于其 CF 膜除去能力與氧相比格外小, 因此 SiN 上的 CF 膜厚達到 5nm, 蝕刻被抑制。
     另外, 在 SiO2 蝕刻和 SiN 蝕刻的任一蝕刻中, 添加氣體的 O2 都具有調節 CF 膜除去 速率的功能。
     在如上所述的 HARC 工藝中, SiN 被用于基底膜 96, 一般使用有機膜作為掩模 94。 有機膜針對在如上所述的條件下使 C4F8 氣體的流量變化時的蝕刻速度和 CF 膜厚, 也表現出 與 SiN 同樣的特性。
     這樣, 利用基于蝕刻時有無釋放氧或釋放量差異的 CF 膜厚度的差異和蝕刻速度 的差異, 通過 [4] 調整 O2/C4F8 流量比, 以及 [5] 通過 Ar 稀釋 ( 增加總氣體流量 ) 來減少使 選擇比惡化的 F 原子自由基, 能夠充分提高 SiO2 膜相對于基底膜 96 的 SiN、 掩模 96 的有機 膜 ( 有時也包括上層的光致抗蝕劑 ) 的選擇比。
     如上所述, 在一般的等離子體蝕刻裝置中, 通過運用針對 [1] 等離子體生成用高 頻的功率、 [2] 碳氟化合物氣體 ( 例如 C4F8) 的流量、 [3] 離子引入用高頻的功率、 [4]O2/C4F8 流量比 ( 特別是 O2 流量 )、 [5]Ar 流量的各調整技術, 在 HARC 工藝中也能夠實現高蝕刻速度和高選擇比。但是, 在 HARC 工藝中, 由于需要非常高的選擇比, 因此必須使用堆積性非常 強的條件, 其結果是, 使用附著率高的自由基。
     這種情況下, 如圖 12(b) 所示, 側壁 98 上的堆積膜 100 的被覆性 ( 有效范圍 ) 惡 化, 孔 92 的入口附近變窄, 易于發生縮頸 102。當發生縮頸 102 時, 對孔 92 的底部的自由基 或離子的供給變得不充分, 由此, 導致孔底 CD(Critical Dimension, 臨界尺寸 ) 縮小, 垂直 切削孔底的蝕刻率降低。另外, 也存在入射離子在縮頸 102 的上方被反射, 在縮頸 102 的下 方發生側壁 98 的塌心 ( 彎曲 (bowling))。
     這樣, 為了得到高選擇比, 雖然需要使用附著率高的自由基 (CxFy 自由基 ), 但是由 此易于產生縮頸 102。于是, 為了避免縮頸 102 而使用附著率低的自由基時, 如圖 12(a) 所 示, 掩模 94 上的堆積膜 100 變得過薄, 不能得到充分的選擇比。
     如上所述, HARC 工藝中, 在總括 (blanket) 特性 ( 蝕刻速度、 選擇比 ) 與蝕刻形狀 之間存在折衷的關系, 在離子引入用途中使用單一頻率的高頻的現有 RF 偏置技術下不能 夠解決該折衷的問題。
     圖 13(a) 表示在 HARC 工藝中使用附著率高的自由基時氧化膜 (SiO2) 和有機膜相 對于入射離子的能量的蝕刻效率的特性。 如上所述, 當使用附著率高的自由基時, 在低離子 能量區域中用堆積膜保護掩模 ( 有機膜 ) 的表面, 僅選擇性地蝕刻氧化膜。而且, 當離子能 量超過某個閾值 Et 之后, 則通過離子照射進行的物理蝕刻超出堆積膜的保護, 掩模 ( 有機 膜 ) 被切削。當然, 由于入射離子的能量增大, 氧化膜的蝕刻效率也單調增大。
     如果從提高選擇比的觀點出發, 優選離子集中分布在閾值 Et 附近的能量區域那樣 的離子能量分布特性。然而, 當如現有方式 ( 單頻偏置法 ) 那樣在單頻的 RF 偏置下相對應 時, 如圖 13(b) 所示, 離子能量分布完全收斂于比閾值 Et 低的區域。這種情況下, 集中在最 小能量附近的離子對氧化膜的蝕刻幾乎沒有貢獻。于是, 即使通過集中在最大能量附近的 離子的作用而得到高的選擇比, 也不能夠避免或抑制上述的縮頸 100。
     本發明人在如圖 15 所示的 HARC 工藝的模型中, 對在相對于有機膜表面的法線 N 入射角 θ 為 0°的部位 ( 掩模上表面 ) 和入射角 θ 為 80°的部位 ( 縮頸斜面 104), 蝕刻 效率相對于離子能量的特性進行了比較, 結果判明如下。即, 如圖 14(a) 所示, 掩模上表面 (θ = 0° ) 與縮頸 部位 (θ = 80° ) 相比, 蝕刻效率的上升快, 但是當入射離子的能量大 于規定值 Es 時, 兩者的關系反轉, 縮頸斜面 104(θ = 80° ) 比掩模上表面 (θ = 0° ) 更 易于被蝕刻。即, 通過離子照射, 雖然掩模上表面也被削除, 但是縮頸斜面 102 比其更高效 地被削除, 能夠得到縮頸 CD 擴大這樣的改善效果。
     鑒于上述 HARC 工藝中的氧化膜和有機膜 ( 掩模 ) 的蝕刻效率 / 離子能量特性, 如 圖 14(b) 所示, 可知跨越在上述閾值 Et 附近比其低的第一能量區域和在上述規定值 Es 附近 比其高的第二能量區域, 兩極化了的凹形的 IED 特性是適合的。
     即, 通過離子集中分布在上述第一能量區域, 選擇比變高, 通過離子集中分布在上 述第二能量區域, 能夠有效地避免或抑制縮頸 102。
     另外, 上述第一能量區域與上述第二能量區域之間的能量區域, 從提高選擇比和 抑制縮頸的任意觀點出發都是不期望的區域, 分布在該中間區域的離子少這一點是有利 的。
     本發明人在如上所述的 HARC 工藝的實驗中使用實施方式的等離子體蝕刻裝置,改變第一高頻 RFL1(0.8MHz) 和第二高頻 RFL2(13MHz) 的功率比, 對蝕刻特性進行了比較, 得 到了如圖 16 和圖 17 所示的結果。主要的蝕刻條件如下所述。
     晶片口徑 : 300mm
     蝕刻氣體 : C4F6O2 = 60/200/60sccm
     腔室內的壓力 : 20mTorr
     溫度 : 上部電極 / 腔室側壁 / 下部電極= 60/60/20℃
     高頻電力 : 等離子體生成用高頻 (60MHz) = 1000W
     離子引入用高頻 (13MHz/0.8MHz) = 4500/0W、 4000
     /500W、 3000/1500W、 2000/2500W、 1000/3500W、
     0/4500W(6 種 )
     直流電壓 : VDC = -300V
     蝕刻時間 : 2 分鐘
     在該實驗中, 將離子引入用第一高頻 RFL1(0.8MHz) 和第二高頻 RFL2(13MHz) 的總功 率固定為一定值 (4500W), 以功率比為參數, 選擇了從 4500/0W 到 0/4500W 的 6 個階段。
     在 HARC 工藝中, 優選的蝕刻特性是 : SiO2 膜的蝕刻速度大, 掩模選擇比大, 縮頸 CD 與彎曲 CD 之差小, 掩模側壁傾斜角大。 如果從這樣的觀點進行評價, 則可知將第一高頻 RFL1 和第二高頻 RFL2 的功率選擇為 RFL1 = 1000W, RFL2 = 3500W 時的蝕刻特性表示出綜合性最 佳的結果。這種情況下, 2 個高頻 RFL1、 RFL2 的功率比是 RFL2 ∶ RFL1 = 3.5 ∶ 1, 雖然省略了 圖示, 但是能夠得到與圖 8B 同樣的凹形的 IED 特性。
     如上所述, 根據本發明的雙頻偏置法, 能夠巧妙地解決 HARC 工藝中的折衷。除此 以外, 根據本發明的雙頻偏置法, 還能夠與上述同樣地解決開孔蝕刻加工中的選擇比與頂 部 CD/ 彎曲 CD/ 底部 CD 的折衷、 等離子體 CVD 中的成長速度與無縫形狀的折衷等。
     另外, 對于如上所述的 HARC 工藝, 通過本發明的雙頻偏置法所得到的凹形的 IED 特性有效地發揮作用。然而, 通過本發明的雙頻偏置法所得到的平坦 (flat) 形的 IED 特性 ( 圖 6B、 圖 7B、 圖 8C) 或山形的 IED 特性 ( 圖 7C) 也是通過現有單頻偏置法不能夠得到的獨 特的特性, 具有能夠使某規定的工藝特性最優化的可能性。
     [ 實施方式中的 DC 偏置功能 ]
     本實施方式的等離子體蝕刻裝置, 根據需要接通開關 84, 對上部電極 48 施加來自 可變直流電源 82 的直流電壓 VDC。這樣, 通過對上部電極 34 施加適當的直流電壓 VDC, 特別 是負極性且適當大小 ( 絕對值 ) 的直流電壓 VDC, 能夠強化在等離子體蝕刻的掩模中使用的 光致抗蝕劑膜 ( 特別是 ArF 抗蝕劑膜 ) 的耐蝕刻性。
     即, 當從可變直流電源 82 對上部電極 48 以負極性的高壓 ( 優選與通過施加第三 高頻 RFH 在上部電極 48 產生的自偏壓相比絕對值更大的負極性的電壓 ) 施加直流電壓 VDC 時, 在上部電極 48 與等離子體之間形成的上部離子鞘增厚。由此, 等離子體中的離子被上 部離子鞘的電場加速, 增加與上部電極 48 的電極板 50 碰撞時的離子碰撞 ( 沖擊 ) 能量, 通 過 γ 放電從電極板 50 釋放出的二次電子增多。而且, 從電極板 50 釋放出的二次電子由上 部離子鞘的電場向著與離子相反的方向加速, 穿過等離子體 PR, 進而橫跨 ( 橫切 ) 下部離 子鞘, 以規定的高能量射進 ( 打入 ) 基座 16 上的半導體晶片 W 表面的抗蝕劑掩模。這樣, 當抗蝕劑掩模的高分子吸收電子的能量時, 產生組成變化、 構造變化、 架橋反應等, 形成改質層, 增強了耐蝕刻性 ( 耐等離子體性 )。隨著施加于上部電極 48 的負極性的直流電壓 VDC 的絕對值增大, 射進抗蝕劑掩模的電子的能量增加, 抗蝕劑掩模的耐等離子體性增強的效 果增大。
     另一方面, 在本實施方式的等離子體蝕刻裝置中, 如上所述, 對于基座 16 一側的 RF 偏置組合使用頻率不同的第一高頻 RFL1 和第二高頻 RFL2, 控制它們的總功率和 / 或功率 比, 由此關于入射到基座 16 上的半導體晶片 W 表面的離子的能量分布 (IED), 能夠對能帶 寬度和分布形狀、 進而入射能量的總量進行各種控制。特別是, 當將第一高頻 RFL1 和第二 高頻 RFL2 各自的功率選擇為有意 ( 非偶然 ) 的值進行組合時, 在能量分布 (IED) 中, 中間 能量的離子入射數急速增加, 入射能量的總量增大。然而, 當入射能量的總量多時, 抗蝕劑 掩模受到損傷, 其表面粗糙, 或易于帶來所謂的 LER(Line Edge Roughness, 線邊緣粗糙 )、 LWR(Line Width Roughness, 線寬粗糙 ) 等凹形變形或曲折變形。
     因此, 在本實施方式中, 在控制部 88 中, 根據第一高頻 RFL1 和第二高頻 RFL2 的總功 率和功率比的設定值, 推算出入射能量的總量 ( 可以粗略計算 ), 當入射能量的總量多時, 通過 DC 控制器 83, 增大施加于上部電極 48 的負極性的直流電壓 VDC 的絕對值, 強化抗蝕劑 掩模的耐蝕刻性。 然而, 當入射能量的總量少時, 不僅缺乏強化抗蝕劑掩模的耐蝕刻性的必 要性, 而且根據下面的理由, 優選將施加于上部電極 48 的負極性的直流電壓 VDC 的絕對值控 制得較小。
     即, 在本實施方式的等離子體蝕刻裝置中, 通過蝕刻氣體的高頻放電, 氟碳氣體 CXFY 離解, 生成 F 原子或 CF3 等的反應種。這些反應種與半導體晶片 W 表面的被加工膜發生 反應, 生成揮發性的生成物 ( 例如 SiF4) 的同時, 也生成作為沉積物的聚合膜 ( 例如 (CF2) n)。上部電極 48 的電極板 50 是含 Si 導電材料的情況下, 不僅半導體晶片 W 表面, 而且電 極板 50 的表面也發生同樣的反應, 雙方消耗反應種。這里, 當對上部電極 48 施加負極性 ( ≤ 0V) 的直流電壓 VDC 時, 離子輔助效應發揮作用, 促進電極板 50 表面的蝕刻反應 ( 即反 應種的消耗 ), 富含 C 的 CFX 大量產生, 在半導體晶片 W 表面蝕刻率降低, 沉積加強。 隨著 負極性直流電壓 VDC 的絕對值增大, 電極板 50 表面的離子輔助效應增大, 基于上述作用的半 導體晶片 W 表面上的蝕刻率的減速和沉積的增速加強。這一點在入射到基座 16 上的半導 體晶片 W 的表面的離子的能量總量少的情況下是不希望的。 從而, 在這種情況下, 控制部 88 通過 DC 控制器 83, 將施加于上部電極 48 的負極性的直流電壓 VDC 的絕對值控制得較小。
     [ 其他實施方式或變形例 ]
     在上述的實施方式中, 對上部電極 48 施加從第三高頻電源 66 輸出的等離子體生 成用的第三高頻 RFH。作為其他實施方式, 如圖 18 所示, 也可以將基座 ( 下部電極 )16 與第 三高頻電源 66 和匹配器 68 電連接, 對基座 16 施加等離子體生成用的第三高頻 RFH。
     上述實施方式涉及在腔室內通過平行平板電極間的高頻放電生成等離子體的電 容耦合型等離子體處理裝置。 然而, 本發明也能夠適用于在腔室的上表面或周圍配置天線, 在高頻感應電磁場下生成等離子體的感應耦合型等離子體處理裝置, 或使用微波的功率生 成等離子體的微波等離子體處理裝置等。
     本發明不限于等離子體蝕刻裝置, 還能夠適用于等離子體 CVD、 等離子體氧化、 等 離子體氮化、 濺射等其他等離子體處理裝置。 另外, 本發明中的被處理基板不限于半導體晶 片, 也能夠是平板顯示器、 EL 元件或太陽能電池用的各種基板、 光掩模、 CD 基板、 印刷基板等。
     附圖標記的說明 10 : 腔室 16 : 基座 ( 下部電極 ) 36 : 第一高頻電源 38 : 第二高頻電源 48 : 上部電極 60 : 處理氣體供給源 76 : 排氣裝置 82 : 可變直流電源 88 : 控制部。

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