基板的等离子处理装置以及等离子处理方法

专利名称：基板的等离子处理装置以及等离子处理方法
技术领域：
本发明涉及在真空室内RF电极和对置电极互相相对配置，并利用两者间生成的等离 子对保持在所述RF电极上的基板进行加工的所谓平行平板型等离子处理装置及其等离子 处理方法。
背景技术：
对半导体晶片等的基板进行布线等作业之际，需要对所述基板实施精细的加工处理， 因此以往常常使用采用等离子的处理装置。现有的等离子处理装置中，高频(RF)电极和对置电极互相相对配置于抽排至预定真 空度的真空室内，并将要用于处理的基板保持于RF电极的与对置电极相对的主面上，构 成所谓平行平板型等离子处理装置。其构成为如箭头所示将等离子生成以及利用其进行的 基板加工所要使用的气体从所述气体导入管导入真空室内，同时用未图示的真空泵从排气 口将真空室内抽排成真空。然后，通过由13.56MHz的商用RF电源经过匹配器将RF (电压)加到RF电极上， 从而在RF电极和对置电极之间生成等离子。这时，等离子中的正离子利用RF电极上所产生的负的自偏置电位Vdc高速入射至RF 电极上的基板。其结果是，利用此时的基板入射能量来引发基板上的表面反应，进行反应 性离子蚀刻(RIE)、 CVD (化学气相沉积)、溅射、离子注入等这类等离子基板处理。尤 其是从加工基板的角度考虑，主要采用RIE。因而，下面尤其围绕用RIE法的基板处理进 行具体说明。如上所述的等离子处理装置中，RF功率增大的同时Vdc (平均的基板入射能量)亦增 大，为了调整处理速率、调整加工形状，主要利用RF功率进行Vdc的调整。另外，Vdc 所依赖的压力或电极形状也能够进行部分调整。但如上所述装置内所生成的等离子当中离子能量被分成低能量侧峰值和高能量侧峰 值这两部分，其能量宽度AE随等离子产生条件为数10 数100 (eV)。所以，即便是将Vdc调整为最适合基板处理的能量的情形，入射基板的离子仍存在能量过高的离子(髙能 量侧峰值)和能量过低的离子(低能量侧峰值)。因而，例如RIE中，用能量与髙能量侧的峰值相当的离子实施基板处理的情况下，往 往会引发溜肩(坍肩)造成加工形状变差。另一方面，用能量与低能量侧的峰值相当的离 子实施基板处理的情况下，往往由于小于等于表面反应阈值而对基板处理完全不起作用， 或随各向异性变差(离子入射角度因热速度而有所扩展)造成加工形状变差。最近的半导体工艺中，为了适应越来越精细的半导体器件 各种膜 复合膜的RIE， 并对加工形状进行精细控制，需要收窄离子能量的频带(实现较小的AE)和对平均能量 值进行优化调整(优化Vdc)。为了收窄离子能量的频带，正对RF频率的高频化(专利公开平2003-234331号公报) 或脉冲等离子化(J.Appl.Phys. Vo186 No2 643 (2000))加以研究。而且，等离子的生成可大体分为电感耦合型和电容耦合型，但出于对加工形状精密控 制的考虑，为了抑制次级反应縮小等离子体积、縮短滞留时间较为有效，基于上述观点， 与体积大的电感耦合型等离子相比较电容耦合型的平行平板型等离子较为有利。另外，也可考虑以提高Vdc和等离子密度的控制性能为目的对平行平板的电极导入两 种不同频率的RF、并以高频(例如100MHz) RF和低频(例如3MHz) RF分别独立控制 等离子密度和Vdc这种方法(专利公开平2003-234331号公报)。这种情况下，除了高频 用电源和高频用匹配器以外还设置低频用电源和低频用匹配器，并设法使上述高频RF和 低频RF能相对于RF电极叠加。另一方面，出于净化工序、过程稳定的考虑，对置电极为接地电位较为有利。 一旦将 RF引导加到对置电极上，对置电极便因对置电极面所生成的Vdc而腐蚀，从而成为尘埃 源、工艺不稳定源。因此，两种RF也往往叠加于设置有基板的RF电极上。专利文献1:专利公开平2003-234331号非专利文献l: G.Chen， L丄.Raja' J.Appl.Phys.96， 6073 (2004) 非专利文献2: J.Appl.Phys.Vo186 No2 643 (2000)为了收窄离子能量的频带所研究的高频化技术，因为不跟踪离子的电场，因而收窄A E的频带方面效果较好，但能量(Vdc)变小。举例来说，100MHz、 2.5kW (300mm敏感 器(susceptor)、 50mTorr、 Ar等离子)情形下，Vdc的绝对值小于等于氧化膜或氮化膜的 阈值(约70eV),加工速率极其缓慢而超出实用范围。另一方面， 一旦加大RF能量而使平均能量增大的话，利用RF能量进行调整时由于 Vdc和厶E大致成比例，所以收窄能量频带的效果减弱。此夕卜，为了以100MHz达到Vdcl00V 需要约7kW较大的RF功率，难以从市售的高频电源的输出上限(5 10kW)调整为足够 大的离子能量。具体来说，RF高频化技术即便可适应表面反应能量阈值较小的等离子处理， 仍然存在Vdc调整难以适应阈值能量较大(大于等于70eV)的等离子处理这种困难。另外，两种频率RF的叠加，由于低频的原因造成离子能量宽度厶E较大，无法期望 收窄频带。另一方面，脉冲技术由于利用周期性的DC电位更为直接地控制离子能量，所以有利 于对能量收窄频带和对能量值进行调整，但由于急剧的附加电压变化、电压OFF时等离子 密度降低、再度附加电压时的大电流，等离子变得不稳定。尤其是绝缘物位于基板表面的 等离子处理的情形下，所积聚的表面电荷难以在l个周期内逃逸，等离子会变得不稳定， 直至等离子消失为止。另外，由于间歇的大电流流入，而对器件造成电气损害。因此，难 以生成稳定的平行平板型脉冲等离子。发明内容本发明正是鉴于上述问题，其目的在于提供一种在真空室内RF电极和对置电极互相 相对配置、并利用两者间所生成的等离子对保持于所述RF电极上的基板进行加工的所谓 平行平板型等离子处理装置中，具有适合于所述基板加工的离子能量，还可使该离子能量 宽度减小来精细控制加工形状的基板的等离子处理装置以及等离子处理方法。为了达到上述目的，本发明的一个方面涉及基板的等离子处理装置，其特征在于，包括内部可保持真空的室；配置于所述室内，并构成为在主面上保持要处理的基板的RF电极； 在所述室内与所述RF电极相对配置的对置电极；用于对所述RF电极外加规定频率的RF电压的RF电压外加装置；以及 用于对所述RF电极外加规定的脉冲电压以便所述脉冲电压与所述RF电压叠加的脉冲 电压外加装置，所述脉冲电压外加装置具有调整所述脉冲电压的所述外加的定时、并设定不外加所述 脉冲电压的停止时间的控制机构。另外，本发明的又一方面涉及基板的等离子处理方法，其特征在于，包括在内部保持真空的室内RF电极和与所述RF电极相对的对置电极之间将要处理的基板 保持于所述RF电极的主面上的工序；对所述RF电极外加规定频率的RF电压的工序；对所述RF电极外加规定的脉冲电压以便所述脉冲电压与所述RF电压叠加的工序；以及调整所述脉冲电压的外加的定时，并设定不外加所述脉冲电压的停止时间的工序。 本发明的上述方式，不仅对RF电极外加RF电压，还设法外加(叠加)脉冲电压。所 以，可通过对所述脉冲电压的脉冲宽度tl或重复时间t2、以及脉冲电压值Vpulse进行各 种控制，从而将现有这种离子能量的低能量侧峰值与高能量侧峰值相比较，使其偏移至对 基板加工不起作用这种极低能量范围，或者使所述低能量侧峰值和高能量侧峰值极其接 近。前者情形，尤其通过只将离子能量的高能量侧峰值设定在最佳的能量范围内，可只用 能量与该高能量侧峰值相当的离子对基板进行处理(加工)。也就是说，利用该高能量侧 峰值原本具有的收窄频带的特性，同时对所述能量范围进行优化的话，便可精细控制基板 的加工形状。而且，由于不是连续外加所述脉冲电压而是经过规定的停止时间来外加所述脉冲电 压，所以能够抑制所述基板的加工部位带电，尤其是抑制底面带正电，所述离子的入射由 于伴随着所述加工部位的带电的库仑力的影响而发生偏转，也可抑制因所述离子未近乎垂 直入射至所述加工部位而造成的加工形状变差，不会影响到所述基板的加工形状的精细程 度。此外，还可抑制所述带电等所带来的以所述基板的所述加工部位为基点的绝缘破坏(第 l加工方法)。后者情形，由于低能量侧峰值和高能量侧峰值极为接近，所以也可以将它们当作一体 的能量峰值。也就是说，通过使低能量侧峰值和高能量侧峰值极为接近地存在，能将它们 一并作为具有收窄频带的能量宽度的单一能量峰值使用。因而，对经过该单一化处理的能量峰值的能量范围进行优化，并对所述低能量侧峰值和所述高能量侧峰值的接近程度即对 经过所述单一化处理的能量峰值的收窄频带程度进行优化的话，便可利用具有与经过所述 单一化处理的能量峰值相当的能量的离子来精细控制基板的加工形状。而且，由于不是连续外加所述脉冲电压而是经过规定的停止时间来外加所述脉冲电 压，所以能够抑制所述基板的加工部位带电，尤其是抑制底面带正电，所述离子的入射由 于伴随着所述加工部位的带电的库仑力的影响发生偏转，也可抑制因所述离子无法近乎垂直入射至所述加工部位而造成的加工形状变差，不会影响到所述基板的加工形状的精细程 度。此外，还可抑制所述带电等所带来的以所述基板的所述加工部位为基点的绝缘破坏(第 2加工方法)。如以上说明所述，按照本发明，可提供一种在真空室内RF电极和对置电极互相相对 配置、并利用两者间所生成的等离子对所述RF电极上保持的基板进行加工的所谓平行平 板型等离子处理装置中，具有适合于所述基板加工的离子能量，还可使该离子能量宽度减 小来精细控制加工形状的基板的等离子处理装置以及等离子处理方法。


图1为概要示出基板的等离子处理装置(对比例)的一例构成的示意图。 图2为示出采用图1所示装置的情形下RF功率和Vdc (平均的基板入射能量)之间 关系的曲线图。图3为以50mTorr的氩气压力、对电极间30mm、 300mm晶片采用3MHz、 Vrf=160V 的RF进行加工的情形下用连续体模型等离子模拟器(G.Chen， L丄.Raja， J.Appl.Phys.96， 6073 (2004))对平行平板型Ar等离子进行模拟的结果。图4为同样以50mTorr的氩气压力、对电极间30mm、 300mm晶片采用3MHz、 Vrf =160V的RF进行加工的情形下用连续体模型等离子模拟器(G.Chen， L丄.Raja， J.Appl.Phys.96， 6073 (2004))对平行平板型Ar等离子进行模拟的结果。 图5为示出适合于基板S的离子能量的分布状态的曲线图。 图6为概要示出本发明的基板的等离子处理装置的一例构成的示意图。 图7概要示出的是用图6所示装置的情形下加到RF电极上的电压的叠加波形。 图8为示出用图6所示的本例的等离子处理装置的情形下Vdc (入射离子平均能量) 与RF频率的相关性的曲线图。图9为示出离子能量宽度AEi (eV)与入射离子平均能量Vdc的相关性的曲线图。 图10为示意性地表示在加工基板时设置脉冲电压停止时间情形下相对于时间的电压 外加曲线的曲线图。图11为示意性地表示与图IO的电压外加曲线相对应的在加工过程中沟槽内部带电状 况的曲线图。图12示意性图示的是加工过程中沟槽的形状。图13为示出图6所示的等离子处理装置的变形例的构成图。图14为示出实施例中离子能量分布状态的曲线图。图15为示出实施例中脉冲电压的占空比和平均离子能量Vdc之间关系的曲线图。 图16为同样示出实施例中离子能量分布状态的曲线图。 (标号说明)10、 20 (基板的)等离子处理装置11、 21室12、 22 RF电极13、 23对置电极14、 24气体导入管15、 25排气口16、 26匹配器17、 27 RF电源28 低通滤波器29 脉冲电源32 蚀刻终点检测监视器或基底变化检测监视器 S 基板 P 等离子具体实施方式
下面基于实施本发明用的具体实施方式
详细说明本发明的基板的等离子处理装置以 及等离子处理方法。本发明一例中，由所述RF电压外加装置加到所述RF电极上的所述RF电压的频率(w rf/2Ji)大于等于50MHz，所述脉冲电压外加装置的所述控制机构至少控制所述脉冲电压 的脉冲宽度tl (s)和脉冲电压值Vpulse (V)，由该控制机构进行控制使得所述脉冲宽度 tl成立tl》2n/ (cop/5) ("p为等离子角频率，(e2No/eoMi) 1/2， e:电子单位电 量，e0:真空介电常数，Mi:离子质量(kg)， No:等离子密度(个/m3))，脉冲电压值 Vpulse为I Vp_p I < I Vpulse I (Vp—p为所述RF电压的电压值)。由此，能够以简易 且良好的状态实施上述第1加工方法。另外，本发明一例中，由所述RF电压外加装置加到所述RF电极的所述RF电压的频 率("rf/2ir)大于等于50MHz，所述脉冲电压外加装置的所述控制机构至少控制所述脉冲电压的脉冲宽度tl (s)和重复时间t2 (s)，由该控制机构进行控制使得所述脉冲宽度tl 和所述重复时间t2成立2 3i/"rf<tl<t2< 2n / (cop/5) (cop为等离子角频率，cop =(e2No/e0Mi) 1/2， e:电子单位电量，e o:真空介电常数，Mi:离子质量(kg), No: 等离子密度(个/m3))。由此，能够以简易且良好的状态实施上述第2加工方法。另外，上述任一例中，之所以使所述RF电压外加装置加到所述RF电极上的所述RF 电压的频率(a)rf/2兀)大于等于50MHz，是由于要使RF电压所引起的平均基板入射能量 Vdc为不影响基板处理这类足够低的值的缘故。换言之，本发明的上述实施方式中，之所 以对RF电极始终外加RF电压，其原因是要高效生成等离子、以及即便是基板上沉积有绝 缘性膜的情形也要高效生成等离子并用该等离子实现基板加工等。因而，本发明的上述实施方式便可主要利用叠加于RF电压上的脉冲电压来进行基板 处理。而且，随着RF电压频率的增高，入射至基板的离子能量的低能量侧峰值和高能量侧 峰值间的离子能量宽度AEi减小。所以，通过使RF电压的频率增大、尤其使其大于等于 50MHz，便如上所述，使所述低能量侧峰值和高能量侧峰值极其接近，并收窄频带视为单 一的能量峰值、利用其能量与经过单一化处理的能量峰值相当的离子进行基板加工是比较 有利的。另外，本发明中上述脉冲电压可以为负脉冲电压。通常，通过外加RF电压生成等离 子的情况下，被外加所述RF电压的RF电极根据自偏压原理而为负电位。所以，所述RF 电极附近的正离子受到向负电位侧偏移的周期性的电压(RF电压)的影响，将该RF电压 作为加速电压冲击基板，对所述基板进行加工等处理。根据上述观点，使所述脉冲电压为 正电压的话，便会部分抵消所述RF电压，会无法对所述正离子形成良好的加速电压。因而，可通过将上述脉冲电压设定为负脉冲电压来避免上述那样的问题。而本发明一例中，由所述脉冲电压外加装置的所述控制机构进行控制使得所述脉冲电 压的连续外加脉冲数nl成立nl< e o e s/ (ZeNivbtl) x (Vmax/d) ( e 0为真空介电常数， es为加工的沟槽底部的介电常数，Z为离子价数，vb为离子束速度vb二 (kTi/Mi) 1/2， tl 为脉冲外加时间(s)， d为底部绝缘体膜厚，Vmax/d为绝缘耐压)。由此，能够有效抑制 所述基板的加工部位尤其是底部的绝缘破坏。此外，本发明一例中，由所述脉冲电压外加装置的所述控制机构进行控制使得所述脉 冲电压的外加时间tl成立tl< e o e s/ (ZeNivb) x (Vmax/d) ( e 0为真空介电常数，e s 为加工的沟槽底部的介电常数，Z为离子价数，vb为离子束速度vb- (kTi/Mi) 1/2， d为底部绝缘体膜厚，Vmax/d为绝缘耐压)。由此，能够有效抑制所述基板的加工部位尤其是 底部的绝缘破坏。另外，上述关系式可如下文所述推导出来。另外，各式中所使用的字符与上述关系式 的附加说明中所记述的内容相同。最初，基板的加工部位尤其是底部所带的电荷量可用下式表示。 Q = SXZeNivb (tlXnl) (S:加工部位的底部面积) 所述加工部位的静电电容可用下式表示。 C= e o e sXS/d因而，这种情形加工部位底部所附加的电压V可用下式表示。 V = Q/C=ZeNivb (tlXnl) Xd/eo"其结果，令使所述加工部位的底部不发生绝缘破坏而能够外加的电压最大值为Vmax， 由于必须满足Vmax>V的关系，所以将上述关系式着眼于所外加的脉冲电压，以该脉冲 数nl和脉冲外加时间tl进行整理的话，便可得到如上所述的关系式。而本发明一例中，由所述脉冲电压外加装置的所述控制机构进行控制使得所述脉冲电 压的电压值Vpulse (V)成立(vtherm/vdc) 1/2《0.5L1/L2 (离子的热速度vtherm为vtherm =(8kTi/兀Mi)/2， vdc= (2eZxVpulse/Mi) 1/2， Ll为加工的沟槽宽度，L2为沟槽深度)。 通过满足上述条件，上述等离子中的离子便相对于所述基板的加工部位(沟槽)到达其底 部而非冲击其侧壁。所以，能够提高所述基板的加工效率。此外，本发明一例中，可由所述脉冲电压外加装置的所述控制机构进行控制使得所述 脉冲连续外加后的停止时间t3成立nlXU《t3。这种情况下，与所述脉冲电压的外加时间 相比较，使此后的停止时间延长，所以能够有效抑制如上所述基板的加工部位的带电。而且，上述基板的等离子处理装置可具有蚀刻终点检测装置和基底变化检测装置中至 少一个，由此可设法使脉冲外加时间tl、脉冲停止时间t3、以及脉冲电压Vpulse中至少一 个改变。由此，便可将基板的加工状况立刻反映为加工条件，所以能够对所述基板进行精 细且有效的加工。另外，本发明中所谓的"RF电压外加装置"可包含本领域的技术人员能够理所当然想 到的RP发生器和阻抗匹配器。另外，根据需要也可包含适当的放大器。此外，本发明中所谓的"脉冲外加装置"，除了本领域的技术人员能够理所当然想到 的脉冲发生器以外，还可包含适当的放大器和低通滤波器。还鉴于如上所述的本发明的附加特征，将本发明的基板的等离子处理装置和方法与其它的基板的等离子处理装置和方法进行对比并加以说明。 (采用基板的等离子处理装置的对比例)图1为概要示出现有的基板等离子处理装置这一对比例的构成的示意图。图1所示的基板的等离子处理装置10中，高频(RF)电极12和对置电极13互相相 对配置于抽排至预定真空度的真空室11内，并将要用于处理的基板S保持于RF电极12 的与对置电极13相对的主面上，构成所谓的平行平板型等离子处理装置。其构成为如箭 头所示将等离子生成以及利用其进行的基板S加工所要使用的气体从所述气体导入管导入 真空室11内，同时用未图示的真空泵从排气口 15将真空室11内抽排成真空。这时真空室 11内的压力为例如约1Pa左右。然后，通过由13.56MHz的商用RF电源17经过匹配器16将RF (电压)加到RF电 极12上，从而在RF电极12和对置电极13之间生成等离子P。这时，等离子P中的正离子利用RF电极12上所产生的负的自偏置电位Vdc高速入射 至RF电极12上的基板S。其结果是，利用此时的基板入射能量来引发基板S上的表面反 应，进行反应性离子蚀刻(RIE)、 CVD (化学气相沉积)、溅射、离子注入等这类等离子 基板处理。尤其是从加工基板的角度考虑，主要采用RIE。因而，下面尤其围绕用RIE法 的基板处理进行具体说明。图l所示这种等离子处理装置中，如图2所示，RF功率增大的同时Vdc (平均的基板 入射能量)亦增大，为了调整处理速率、调整加工形状，主要利用RF功率进行Vdc的调 整。另外，Vdc所依赖的压力或电极形状也能够进行部分调整。图3、图4为用连续体模型等离子模拟器(G.Chen， L丄.Raja， J.Appl.Phys.96， 6073 (2004))对3MHz、 Vrf=160V、 50mTorr、电极间30mm、 300mm晶片尺寸的平行平板型 Ar等离子进行模拟的结果。另外，图5为示出适合于基板S的离子能量的分布状态的曲线 图。如图3所示，由于RF电极电位周期性变动，因而离子的基板入射能量也周期性变动。 但由于存在离子质量对电位跟踪的迟滞，所以离子能量以小于Vrf的振幅Vrf'随时间变动。 离子能量准确来说为Vdc和等离子电位Vp两者之和，但Vp值和随时间的变化相对较小， 所以其说明以及图3中均有所省略。因此，入射至基板S的能量通过对图3所示的曲线进 行时间积分，从而变成为图4所示这种分布。从图4可知，图1所示这种装置内所生成的等离子当中离子能量可分为低能量侧峰值 和高能量侧峰值这两者，其能量宽度AE根据等离子发生条件为数10 数100 (eV)。因而，即便是将Vdc调整为最适于基板处理的能量的情况下，也会如图5所示进行基板入射 的离子当中存在能量过高的离子(高能量侧峰值)和能量过低的离子(低能量侧峰值)。因而，例如RIE方法中，用能量与高能量侧峰值相当的离子实施基板处理的情况下， 往往会引发溜肩(坍肩)造成加工形状变差。另一方面，用能量与低能量侧峰值相当的离 子实施基板处理的情况下，往往因小于等于表面反应阈值而对基板处理完全不起作用，或 随各向异性变差(离子入射角度因热速度而有所扩展)造成加工形状变差。 (采用本发明的基板的等离子处理装置的具体例)图6为概要示出本发明的基板等离子处理装置的具体例的构成的示意图。图7概要示 出的是用图6所示装置的情形下加到RF电极上的电压的叠加波形。另外，主要围绕RIE 法说明采用上述等离子处理装置情形的等离子处理方法。如图6所示，本例中的基板的等离子处理装置20中，高频(RF)电极22和对置电极 23互相相对配置于抽排至预定真空度的真空室21内，并将要用于处理的基板S保持于RF 电极22的与对置电极23相对的主面上，构成所谓的平行平板型等离子处理装置。其构成 为如箭头所示将等离子生成以及利用其进行的基板S加工所要使用的气体从所述气体导入 管24导入室21内，同时用未图示的真空泵从排气口25将室21内抽排成真空。作为所述气体来说，除了使用Ar、 Kr、 Xe、 N2、 02、 CO、 H2等气体之外，还可适当 使用SF6或CF4、 C2F6、 C4F8、 C5F8、 C4F6、 Cl2、 HBr、 SiH4、 SiF4等加工气体。另外，室 21内的压力可根据对基板S的加工速度或所使用气体的种类等适当设定，但可保持为例如 数Pa量级。接下来，从RF电源27经过匹配器26将RF (电压)加到RF电极22上的同时，还设 法从脉冲电源29经过低通滤波器28同样将脉冲电压加到RF电极22上。于是，如图7所 示RF电压和脉冲电压以叠加的状态加到RF电极22上。由此，RF电极22和对置电极23 间便可生成等离子P，该等离子P当中的正离子由RF电极22上的负电压(平均能量为 Vdc)加速来高速入射基板S，对基板S进行加工处理。另夕卜，RF电源27和脉冲电源29内可以根据需要内置用于将上述电源所发出的RF电 压和脉冲电压放大的放大器。上述脉冲电压较好为负的脉冲电压。如上所述，等离子P当中的正离子由于RF电极 22上所产生的负电压作用而高速入射至RF电极22上的基板S，对基板S进行加工处理。 另外，图7中虽未具体示出，但也如图3所示的那样，外加于RF电极22的RF电压根据 上述自偏置电位，主要在负电压值区域变化。因而，使所述脉冲电压为正电压的话，就会部分抵消所述RF电压，对于所述正离子无法形成良好的加速电压。因而，可通过使上述脉冲电压为负的脉冲电压，来避免上述问题产生。图8为示出用图6所示的本例的等离子处理装置外加RF的情形下Vdc (入射离子平 均能量)与RF频率的相关性的曲线图。图9为示出离子能量宽度AEi (eV)与入射离子 平均能量Vdc的相关性的曲线图。另外，图8中所示的曲线图和图2中所示的曲线图基本 相同。由图8可知，随着外加于RF电极22的RF电压的频率增大，入射离子平均能量Vdc 减小，尤其是RF功率小于等于2.2W/cn^量级，RF频率超过50MHz的话，便成为不影响 基板处理这种阈值约小于等于50eV。而且，即便是超过2.2W/cn^这种RF能量，Vdc与 RF频率的相关性也极小。因而可以知道，通过使外加于RF电极22的RF频率大于等于 50MHz，从而RF电压不会影响基板处理，只有(负)脉冲电压的控制对基板处理有影响。换言之，因为可以只通过(负)脉冲电压的控制来调整基板处理的状态，所以能够简 化对于基板处理的操作，可以使其操作便利性有较大的提高。因而，本例中尤其是对RF电极22始终外加RF电压，其主要目的是高效生成等离子、 以及即便是基板S上沉积有绝缘性膜的情形也能高效生成等离子并用该等离子实现基板加 工等。而且，如图9所示，同样对于Vdc，随着RF电压的频率增大，如图4所示的入射至 基板的离子能量其低能量侧峰值和高能量侧峰值间的离子能量宽度AEi减少。所以，使 RF电压频率增大，尤其增大为大于等于50MHz，对如下面详细叙述的那样使所述低能量 侧峰值和高能量侧峰值极其靠近并收窄频带来当作单一的能量峰值，用能量与经过该单一 化处理的能量峰值相当的离子进行基板加工是有利的。用未图示的例如脉冲电源29内所内置的规定的控制机构进行控制，使得脉冲电源29 所生成的脉冲电压的脉冲宽度tl (s)和脉冲电压值Vpulse (V)成立tl》2n/(cop/5)(" p为等离子角频率，"p= (e2No"0Mi) 1/2， e:电子单位电量，e o:真空介电常数，Mi: 离子质量(kg)， No:等离子密度(个/m3))，脉冲电压值Vpulse为I Vp_p | < I Vpulse I (Vp—p为所述RF电压的电压值)。这种情况下，由于离子能够跟踪脉冲电压，所以在时间上对该离子能量进行积分，获 得图4所示的曲线图的情况下，低能量侧峰值便偏移至对处理没有影响这种极低能量区域。 因而，通过只将高能量侧峰值设定在最合适的能量范围内，能够只用该高能量侧峰值对基 板进行处理(加工)。也就是说，利用该高能量侧峰值原本具有的收窄频带的特性，同时优化上述能量范围的话，便能够精细控制基板的加工形状(第l加工方法)。另外，高能量侧峰值的能量值可以由脉冲电压的电压值Vpulse控制。 此外，用未图示的例如脉冲电源29内所内置的规定的控制机构进行控制，使得脉冲 电源29所生成的脉冲电压的脉冲宽度tl (s)和重复时间t2 (s)成立2n/wrf〈tKt2〈 2 n / ("p/5) ("p为等离子角频率，"p= (e2No/e0Mi) 1/2， e:电子单位电量，e 0:真 空介电常数，Mi:离子质量(kg)， No:等离子密度(个/m3))。这种情况下，由于离子无法跟踪脉冲电压，所以在时间上对该离子能量进行积分，获 得图4所示这种曲线图的情况下，低能量侧峰值和上述高能量侧峰值便极其接近，可以将 这两者当作一体化的能量峰值。也就是说，可通过使低能量侧峰值和上述高能量侧峰值极其接近地存在，从而将这两者一并作为具有收窄频带的能量宽度的单一能量峰值加以使 用。因而，对经过这样单一化处理的能量峰值的能量范围进行优化，并对所述低能量侧峰 值和所述高能量侧峰值的接近程度即对经过所述单一化处理的能量峰值的收窄频带程度 进行优化的话，便可利用经过所述单一化处理的能量峰值来精细控制基板的加工形状(第 2加工方法)。另外，经过上述单一化处理的能量峰值的能量值可以通过控制脉冲电压的电 压值Vpulse和/或占空比来进行适当调整。另一方面，上述第1加工方法和第2加工方法其中任一种，连续外加脉冲电压(和RF 电压)进行连续加工的话，基板S的加工部位即加工的形成过程中的沟槽(沟道)尤其是 底部便会荷带正电。结果，入射沟槽内的离子等有时会受到所述荷带电荷产生的库仑力的 作用而发生偏转，无法到达所述沟槽的底部，尤其难以对高宽比较大的沟槽进行加工。此 外，所述沟槽底部带电的电荷量一旦增大，有时会产生以所述沟槽底部为基点的绝缘破坏。根据上述观点，对基板S进行加工形成上述沟槽的情况下，外加所述脉冲电压达到规 定时间之后，最好停止外加所述脉冲电压。由此，能够有效抑制所述沟槽底部的带电，并 能够消除上述各种问题。图10为示意性地表示加工基板S时设置脉冲电压停止时间情形下相对于时间的电压 外加曲线的曲线图。图11为示意性地表示此时加工过程中沟槽内带电状况的曲线图。另外， 上述任一图中波形(a)示出不设置停止时间而是连续外加脉冲电压的情形，而波形(b) 示出设置停止时间的同时外加脉冲电压的情形。如图10 (b)所示，本发明中，上述第1加工方法和第2加工方法其中任一种方法， 均在外加脉冲电压达规定时间之后针对脉冲电压的外加设定停止时间。于是，如图11中的波形(b)所示，外加脉冲电压过程中处于加工过程中的沟槽底部的带电量近似线性地增 大，但所述脉冲电压一旦停止外加，其带电量便急剧减少。这是由于带电的正电荷经过基 板扩散而被中和所造成的。因而，能够有效抑制加工过程中的沟槽底部带电，可以抑制如 上所述这种加工精度变差和绝缘破坏等。另一方面，如图10 (a)所示，不设置停止时间而连续外加脉冲电压的话，如图11中 的波形(a)所示处于加工过程中的沟槽底部的带电量近似线性地增大。因而，加工过程中 的沟槽底部的带电量增大，用于加工的离子并未到达所述沟槽底部，精细加工变得困难， 此外有时也会产生绝缘破坏。另外，为了有效防止以加工过程中的沟槽为基点的绝缘损坏，由脉冲电源29内设置 的所述控制机构进行控制，使得所述脉冲电压的连续外加脉冲数nl成立nl<eoeS/ (ZeNivbtl) x (Vmax/d) ( eo为真空介电常数，e s为加工的沟槽底部的介电常数，Z为 离子价数，vb为离子束速度vb二 (kTi/Mi) 1/2, tl为脉冲外加时间(s)， d为底部绝缘体 膜厚，Vmax/d为绝缘耐压)。同样进行控制，使得所述脉冲电压的外时间tl成立tKeo e s/ (ZeNivb) x (Vmax/d) ( e 0为真空介电常数，e s为加工的沟槽底部的介电常数，Z 为离子价数，vb为离子束速度vb二 (kTi/Mi) 1/2, d为底部绝缘体膜厚，Vmax/d为绝缘耐 压)。上述关系式考虑了不至于绝缘破坏的最大电压Vmax (V<Vmax)而得到所述沟槽底 部带电的电荷量所产生的电压V，其推导过程如上所述。而且，为了使有助于加工的离子不冲击加工过程中的沟槽的侧面，直到其沟槽底部为 止，提高其加工效率，同时为了促进精细的加工，控制使得所述脉冲电压的电压值Vpulse (V)成立(vtherm/vdc) 1/2《0.5L1/L2 (离子的热速度vtherm为vtherm= (8kTi/nMi) /2， vdc= (2eZxVpulse/Mi) 1/2， Ll为加工的沟槽宽度，L2为沟槽深度)。另外，该关系式是 根据如图12所示的沟槽形状导出的。而且，脉冲连续外加后的停止时间t3较好是控制为nlXtl《t3。这种情况下，与所述 脉冲电压的外加时间相比，设法使其后的停止时间较长，因而能够有效抑制如上所述这种 基板的加工部位的带电。另外，考虑等离子蚀刻时，例如硅的蚀刻在工艺过程开始时为了消除自然的氧化膜需 要200eV左右较大的离子能量，以后的蚀刻阶段中则最好为100eV左右较小的离子能量， 并且在氧化膜等阻挡膜(》卜'7八'一)出现的最后阶段出于精密加工的观点最好以70eV 左右更小的离子能量进行蚀刻。上述工艺所需的离子能量可通过改变本发明的负脉冲的脉宽tl、重复时间t2、或负脉冲电压Vpulse中至少一个来改变加工过程，同时还能控制、切 换离子能量。此外，外加脉冲电压时，脉冲电源中可进行周期性的充电、放电。因此，大于等于充 电所需时间就无法使频率增大。而且，也难以使占空比大于等于0.5。这种情况下，可通 过准备大于等于2个的脉冲电源，同时用触发器将它们连接，并设法使它们在相位上互相 错开叠加，结果能够获得用单一脉冲电源无法得到的、高频和/或占空比大于等于0.5的脉 冲电压。此外，可通过改变来自大于等于2个的脉冲电源的电压Vpulse，形成Vpulse周期性不 同的阶梯形状的脉冲电压。图13为示出图6所示的等离子处理装置的变形例的构成图。图13所示的等离子处理 装置在RF电极22内设置蚀刻终点检测监视器或衬底变化检测监视器32。这样便可根据基 板S的加工状况适当改变脉冲外加时间tl、脉冲停止时间t3、以及脉冲电压Vpulse中至少 一个，因而能够对基板S进行精细且有效的加工。另外，上述监视器可通过监视基板S的电阻值等来知道基板S的加工状态。 (实施例)下面利用实施例具体说明本发明，但本发明当然不限于以下内容。另外，下面所示的 具体结果均基于规定的模拟。 (实施例1)本实施例中研究用图6所示的等离子处理装置时的具体动作特性。首先，将C4F8气体和氧气导入室21内，并使其压力保持为2 200mTorr。接着，RF 电源27对RF电极22外加100MHz、电压Vp-p=80V的RF电压，同时脉冲电源29外加 10MHz、Vpulse二一500V的负电压脉冲，并使这两者互相叠加。在等离子密度No=5X 1016 (个/m3)的CF离子的情况下，由于(cop/5) /2n约为1.7MHz，所以对于脉冲电压的脉 冲宽度tl (s)和重复时间t2 (s)，满足2:t/"rf〈tKt2〈 2 n / ("p/5)这一条件，并成 为离子连DC脉冲电压也无法追随的区域。因而，如图14、图15所示，通过DC负脉冲叠加，与双频(Dual)叠加相比离子能 量分布的频带收窄。具体来说，通过减小占空比(=tl/t2)，离子能量分布进一步收窄频带。 也就是说，可通过改变脉冲占空比，从而控制、改变与占空比大致成正比的平均能量。而 且，离子的平均能量也可通过与脉冲负电压Vpulse或占空比组合改变进行平均能量控制。另外，加工过程中的沟槽底部的电压为约50V量级。通常，所述电压一旦超过约200V就会产生绝缘破坏，所以可通过如上所述抑制电压，在不至于产生上述绝缘破坏的情况下 进行精细的沟槽加工。 (实施例2)本实施例中也研究用图6所示的等离子处理装置时的具体动作特性。本实施例中，RF电源27夕卜加100MHz、电压Vp-p=80V的RF电压，同时脉冲电源29外加lMHz、 Vpulse=—250V的负电压脉冲，并使这两者互相叠加。另夕卜，其它条件与实施例1相同。本实施例中，因为满足脉冲宽度tl》2n/ (cop/5)，所以离子能够跟踪脉冲电压。因 此，如图16所示，低能量侧峰值和高能量侧峰值互相有较大的离子能量宽度介于其间存 在。另外，可通过如图16所示加大负电压脉冲的占空比(二tl/t2)，从而能够维持上述离 子能量宽度，保持互相间能量位置不变，使高能量侧峰值的分布状态增大。另外，高能量侧峰值的能量值能够用负脉冲电压的电压值Vpulse控制。本实施例中，由于高能量侧峰值的能量宽度极窄为8(eV)，所以可通过用这种能量的 离子进行基板处理来进行精细的加工。而且，加工过程中的沟槽底部的电压为约50V左右。通常，所述电压一旦超过约200V 就会产生绝缘破坏，所以可通过如上所述抑制电压，在不至于产生上述绝缘破坏的情况下 进行精细的沟槽加工。以上根据上述具体例对本发明进行了详细说明，但本发明并不限于上述具体例，只要 不背离本发明范畴可以作各种变形或改变。举例来说，上述具体例中，说明的是以R正为中心针对基板加工的等离子处理装置和 方法，但本发明也可适当用于其它处理装置和方法。
权利要求
1.一种基板的等离子处理装置，其特征在于，具有内部可保持真空的室；配置于所述室内，并构成为在主面上保持要处理的基板的RF电极；在所述室内与所述RF电极相对配置的对置电极；用于对所述RF电极外加规定频率的RF电压的RF电压外加装置；以及用于对所述RF电极外加规定的脉冲电压以便所述脉冲电压与所述RF电压叠加的脉冲电压外加装置，所述脉冲电压外加装置具有调整所述脉冲电压的所述外加的定时、并设定不外加所述脉冲电压的停止时间的控制机构。
2. 如权利要求1所述的基板的等离子处理装置，其特征在于， 由所述脉冲电压外加装置外加到所述RF电极上的所述脉冲电压为负脉冲电压。
3. 如权利要求1或2所述的基板的等离子处理装置，其特征在于，由所述RF电压外加装置加到所述RF电极上的所述RF电压的频率("rf/2 n )大于 等于50MHz，所述脉冲电压外加装置的所述控制机构至少控制所述脉冲电压的脉冲宽度tl (s)和脉 冲电压值Vpulse (V)，由该控制机构进行控制使得所述脉冲宽度tl成立tl》2n/ ("p/5) ("p为等离子角频率，"p= (e2No/e0Mi) 1/2， e:电子单位电量，e 0:真空介电常数， Mi:离子质量(kg)， No:等离子密度(个/m3))，脉冲电压值Vpulse为I Vp—p I < I Vpulse I (Vp—p为所述RF电压的电压值)。
4. 如权利要求1或2所述的基板的等离子处理装置，其特征在于，由所述RF电压外加装置加到所述RF电极上的所述RF电压的频率(corf/2 n )大于 等于50MHz，所述脉冲电压外加装置的所述控制机构至少控制所述脉冲电压的脉冲宽度tl (s)和重 复时间t2 (s)，由该控制机构进行控制使得所述脉冲宽度tl和所述重复时间t2成立2 n / "rf<tl<t2< 2n/ ("p/5) (cop为等离子角频率，"p= (e2No/e oMi) 1/2, e:电子单位电量，eo:真空介电常数，Mi:离子质量(kg)， No:等离子密度(个/m3))。
5. 如权利要求1或2所述的基板的等离子处理装置，其特征在于，由所述脉冲电压外加装置的所述控制机构进行控制使得所述脉冲电压的连续外加脉 冲数nl成立nl〈 e o e s/ (ZeNivbtl) x (Vmax/d) ( e 0为真空介电常数，e s为加工的沟 槽底部的介电常数，Z为离子价数，vb为离子束速度vb二 (kTi/Mi) 1/2, tl为脉冲外加时 间(s)， d为底部绝缘体膜厚，Vmax/d为绝缘耐压)。
6. 如权利要求1或2所述的基板的等离子处理装置，其特征在于， 由所述脉冲电压外加装置的所述控制机构进行控制使得所述脉冲电压的外加时间tl成立tl< e o e s/ (ZeNivb) x (Vmax/d) ( e o为真空介电常数，e s为加工的沟槽底部的 介电常数，Z为离子价数，vb为离子束速度vb= (kTi/Mi) 1/2， d为底部绝缘体膜厚，Vmax/d 为绝缘耐压)。
7. 如权利要求1或2所述的基板的等离子处理装置，其特征在于， 由所述脉冲电压外加装置的所述控制机构进行控制使得所述脉冲电压的电压值Vpulse(V)成立(vtherm/vdc) I/2《0.5L1/L2 (离子的热速度vtherm为vtherm= (8kTi/nMi) /2， vdc二 (2eZxVpulse/Mi) |/2, Ll为加工的沟槽宽度，L2为沟槽深度)。
8. 如权利要求5所述的基板的等离子处理装置，其特征在于，由所述脉冲电压外加装置的所述控制机构进行控制使得所述脉冲连续外加后的停止 时间t3成立 nlXtl《t3。
9. 如权利要求1或2所述的基板的等离子处理装置，其特征在于， 具有蚀刻终点检测装置和衬底变化检测装置中至少一个，由所述检测装置改变脉冲外加时间tl、脉冲停止时间t3、以及脉冲电压Vpulse中至少一个。
10. —种基板的等离子处理方法，其特征在于，包括在内部保持真空的室内RF电极和与所述RF电极相对的对置电极之间将要处理的基板 保持于所述RF电极的主面上的工序；对所述RF电极外加规定频率的RF电压的工序；对所述RF电极外加规定的脉冲电压以便所述脉冲电压与所述RF电压叠加的工序；以及调整所述脉冲电压的外加的定时，并设定不外加所述脉冲电压的停止时间的工序。
全文摘要
本发明提供一种在平行平板型等离子处理装置中具有适于基板加工的离子能量，还可使该离子能量宽度减小来精细控制加工形状的基板的等离子处理装置以及等离子处理方法。等离子处理装置构成为包括内部保持真空的室；配置于其内部、并构成为在主面上保持要处理的基板的RF电极；以及与该RF电极相对配置的对置电极；用于对所述RF电极外加规定频率的RF电压的RF电压外加装置；以及用于对所述RF电极外加规定的脉冲电压以便其与所述RF电压叠加的脉冲电压外加装置。所述脉冲电压外加装置具有调整所述脉冲电压的所述外加的定时、并设定不外加所述脉冲电压的停止时间的控制机构。
文档编号H05H1/46GK101277580SQ200810090518
公开日2008年10月1日 申请日期2008年3月26日 优先权日2007年3月27日
发明者宇井明生, 小岛章弘, 市川尚志, 林久贵, 玉置直树 申请人:株式会社东芝