專利名稱：基板的等離子處理裝置以及等離子處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在真空室內(nèi)RF電極和對置電極互相相對配置，并利用兩者間生成的等離 子對保持在所述RF電極上的基板進行加工的所謂平行平板型等離子處理裝置及其等離子 處理方法。
背景技術：
對半導體晶片等的基板進行布線等作業(yè)之際，需要對所述基板實施精細的加工處理， 因此以往常常使用采用等離子的處理裝置。現(xiàn)有的等離子處理裝置中，高頻(RF)電極和對置電極互相相對配置于抽排至預定真 空度的真空室內(nèi)，并將要用于處理的基板保持于RF電極的與對置電極相對的主面上，構 成所謂平行平板型等離子處理裝置。其構成為如箭頭所示將等離子生成以及利用其進行的 基板加工所要使用的氣體從所述氣體導入管導入真空室內(nèi)，同時用未圖示的真空泵從排氣 口將真空室內(nèi)抽排成真空。然后，通過由13.56MHz的商用RF電源經(jīng)過匹配器將RF (電壓)加到RF電極上， 從而在RF電極和對置電極之間生成等離子。這時，等離子中的正離子利用RF電極上所產(chǎn)生的負的自偏置電位Vdc高速入射至RF 電極上的基板。其結果是，利用此時的基板入射能量來引發(fā)基板上的表面反應，進行反應 性離子蝕刻(RIE)、 CVD (化學氣相沉積)、濺射、離子注入等這類等離子基板處理。尤 其是從加工基板的角度考慮，主要采用RIE。因而，下面尤其圍繞用RIE法的基板處理進 行具體說明。如上所述的等離子處理裝置中，RF功率增大的同時Vdc (平均的基板入射能量)亦增 大，為了調(diào)整處理速率、調(diào)整加工形狀，主要利用RF功率進行Vdc的調(diào)整。另外，Vdc 所依賴的壓力或電極形狀也能夠進行部分調(diào)整。但如上所述裝置內(nèi)所生成的等離子當中離子能量被分成低能量側峰值和高能量側峰 值這兩部分，其能量寬度AE隨等離子產(chǎn)生條件為數(shù)10 數(shù)100 (eV)。所以，即便是將Vdc調(diào)整為最適合基板處理的能量的情形，入射基板的離子仍存在能量過高的離子(髙能 量側峰值)和能量過低的離子(低能量側峰值)。因而，例如RIE中，用能量與髙能量側的峰值相當?shù)碾x子實施基板處理的情況下，往 往會引發(fā)溜肩(坍肩)造成加工形狀變差。另一方面，用能量與低能量側的峰值相當?shù)碾x 子實施基板處理的情況下，往往由于小于等于表面反應閾值而對基板處理完全不起作用， 或隨各向異性變差(離子入射角度因熱速度而有所擴展)造成加工形狀變差。最近的半導體工藝中，為了適應越來越精細的半導體器件 各種膜 復合膜的RIE， 并對加工形狀進行精細控制，需要收窄離子能量的頻帶(實現(xiàn)較小的AE)和對平均能量 值進行優(yōu)化調(diào)整(優(yōu)化Vdc)。為了收窄離子能量的頻帶，正對RF頻率的高頻化(專利公開平2003-234331號公報) 或脈沖等離子化(J.Appl.Phys. Vo186 No2 643 (2000))加以研究。而且，等離子的生成可大體分為電感耦合型和電容耦合型，但出于對加工形狀精密控 制的考慮，為了抑制次級反應縮小等離子體積、縮短滯留時間較為有效，基于上述觀點， 與體積大的電感耦合型等離子相比較電容耦合型的平行平板型等離子較為有利。另外，也可考慮以提高Vdc和等離子密度的控制性能為目的對平行平板的電極導入兩 種不同頻率的RF、并以高頻(例如100MHz) RF和低頻(例如3MHz) RF分別獨立控制 等離子密度和Vdc這種方法(專利公開平2003-234331號公報)。這種情況下，除了高頻 用電源和高頻用匹配器以外還設置低頻用電源和低頻用匹配器，并設法使上述高頻RF和 低頻RF能相對于RF電極疊加。另一方面，出于凈化工序、過程穩(wěn)定的考慮，對置電極為接地電位較為有利。 一旦將 RF引導加到對置電極上，對置電極便因?qū)χ秒姌O面所生成的Vdc而腐蝕，從而成為塵埃 源、工藝不穩(wěn)定源。因此，兩種RF也往往疊加于設置有基板的RF電極上。專利文獻1:專利公開平2003-234331號非專利文獻l: G.Chen， L丄.Raja' J.Appl.Phys.96， 6073 (2004) 非專利文獻2: J.Appl.Phys.Vo186 No2 643 (2000)為了收窄離子能量的頻帶所研究的高頻化技術，因為不跟蹤離子的電場，因而收窄A E的頻帶方面效果較好，但能量(Vdc)變小。舉例來說，100MHz、 2.5kW (300mm敏感 器(susceptor)、 50mTorr、 Ar等離子)情形下，Vdc的絕對值小于等于氧化膜或氮化膜的 閾值(約70eV),加工速率極其緩慢而超出實用范圍。另一方面， 一旦加大RF能量而使平均能量增大的話，利用RF能量進行調(diào)整時由于 Vdc和厶E大致成比例，所以收窄能量頻帶的效果減弱。此夕卜，為了以100MHz達到Vdcl00V 需要約7kW較大的RF功率，難以從市售的高頻電源的輸出上限(5 10kW)調(diào)整為足夠 大的離子能量。具體來說，RF高頻化技術即便可適應表面反應能量閾值較小的等離子處理， 仍然存在Vdc調(diào)整難以適應閾值能量較大(大于等于70eV)的等離子處理這種困難。另外，兩種頻率RF的疊加，由于低頻的原因造成離子能量寬度厶E較大，無法期望 收窄頻帶。另一方面，脈沖技術由于利用周期性的DC電位更為直接地控制離子能量，所以有利 于對能量收窄頻帶和對能量值進行調(diào)整，但由于急劇的附加電壓變化、電壓OFF時等離子 密度降低、再度附加電壓時的大電流，等離子變得不穩(wěn)定。尤其是絕緣物位于基板表面的 等離子處理的情形下，所積聚的表面電荷難以在l個周期內(nèi)逃逸，等離子會變得不穩(wěn)定， 直至等離子消失為止。另外，由于間歇的大電流流入，而對器件造成電氣損害。因此，難 以生成穩(wěn)定的平行平板型脈沖等離子。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明正是鑒于上述問題，其目的在于提供一種在真空室內(nèi)RF電極和對置電極互相 相對配置、并利用兩者間所生成的等離子對保持于所述RF電極上的基板進行加工的所謂 平行平板型等離子處理裝置中，具有適合于所述基板加工的離子能量，還可使該離子能量 寬度減小來精細控制加工形狀的基板的等離子處理裝置以及等離子處理方法。為了達到上述目的，本發(fā)明的一個方面涉及基板的等離子處理裝置，其特征在于，包括內(nèi)部可保持真空的室；配置于所述室內(nèi)，并構成為在主面上保持要處理的基板的RF電極； 在所述室內(nèi)與所述RF電極相對配置的對置電極；用于對所述RF電極外加規(guī)定頻率的RF電壓的RF電壓外加裝置；以及 用于對所述RF電極外加規(guī)定的脈沖電壓以便所述脈沖電壓與所述RF電壓疊加的脈沖 電壓外加裝置，所述脈沖電壓外加裝置具有調(diào)整所述脈沖電壓的所述外加的定時、并設定不外加所述 脈沖電壓的停止時間的控制機構。另外，本發(fā)明的又一方面涉及基板的等離子處理方法，其特征在于，包括在內(nèi)部保持真空的室內(nèi)RF電極和與所述RF電極相對的對置電極之間將要處理的基板 保持于所述RF電極的主面上的工序；對所述RF電極外加規(guī)定頻率的RF電壓的工序；對所述RF電極外加規(guī)定的脈沖電壓以便所述脈沖電壓與所述RF電壓疊加的工序；以及調(diào)整所述脈沖電壓的外加的定時，并設定不外加所述脈沖電壓的停止時間的工序。 本發(fā)明的上述方式，不僅對RF電極外加RF電壓，還設法外加(疊加)脈沖電壓。所 以，可通過對所述脈沖電壓的脈沖寬度tl或重復時間t2、以及脈沖電壓值Vpulse進行各 種控制，從而將現(xiàn)有這種離子能量的低能量側峰值與高能量側峰值相比較，使其偏移至對 基板加工不起作用這種極低能量范圍，或者使所述低能量側峰值和高能量側峰值極其接 近。前者情形，尤其通過只將離子能量的高能量側峰值設定在最佳的能量范圍內(nèi)，可只用 能量與該高能量側峰值相當?shù)碾x子對基板進行處理(加工)。也就是說，利用該高能量側 峰值原本具有的收窄頻帶的特性，同時對所述能量范圍進行優(yōu)化的話，便可精細控制基板 的加工形狀。而且，由于不是連續(xù)外加所述脈沖電壓而是經(jīng)過規(guī)定的停止時間來外加所述脈沖電 壓，所以能夠抑制所述基板的加工部位帶電，尤其是抑制底面帶正電，所述離子的入射由 于伴隨著所述加工部位的帶電的庫侖力的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，也可抑制因所述離子未近乎垂 直入射至所述加工部位而造成的加工形狀變差，不會影響到所述基板的加工形狀的精細程 度。此外，還可抑制所述帶電等所帶來的以所述基板的所述加工部位為基點的絕緣破壞(第 l加工方法)。后者情形，由于低能量側峰值和高能量側峰值極為接近，所以也可以將它們當作一體 的能量峰值。也就是說，通過使低能量側峰值和高能量側峰值極為接近地存在，能將它們 一并作為具有收窄頻帶的能量寬度的單一能量峰值使用。因而，對經(jīng)過該單一化處理的能量峰值的能量范圍進行優(yōu)化，并對所述低能量側峰值和所述高能量側峰值的接近程度即對 經(jīng)過所述單一化處理的能量峰值的收窄頻帶程度進行優(yōu)化的話，便可利用具有與經(jīng)過所述 單一化處理的能量峰值相當?shù)哪芰康碾x子來精細控制基板的加工形狀。而且，由于不是連續(xù)外加所述脈沖電壓而是經(jīng)過規(guī)定的停止時間來外加所述脈沖電 壓，所以能夠抑制所述基板的加工部位帶電，尤其是抑制底面帶正電，所述離子的入射由 于伴隨著所述加工部位的帶電的庫侖力的影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)，也可抑制因所述離子無法近乎垂直入射至所述加工部位而造成的加工形狀變差，不會影響到所述基板的加工形狀的精細程 度。此外，還可抑制所述帶電等所帶來的以所述基板的所述加工部位為基點的絕緣破壞(第 2加工方法)。如以上說明所述，按照本發(fā)明，可提供一種在真空室內(nèi)RF電極和對置電極互相相對 配置、并利用兩者間所生成的等離子對所述RF電極上保持的基板進行加工的所謂平行平 板型等離子處理裝置中，具有適合于所述基板加工的離子能量，還可使該離子能量寬度減 小來精細控制加工形狀的基板的等離子處理裝置以及等離子處理方法。


圖1為概要示出基板的等離子處理裝置(對比例)的一例構成的示意圖。 圖2為示出采用圖1所示裝置的情形下RF功率和Vdc (平均的基板入射能量)之間 關系的曲線圖。圖3為以50mTorr的氬氣壓力、對電極間30mm、 300mm晶片采用3MHz、 Vrf=160V 的RF進行加工的情形下用連續(xù)體模型等離子模擬器(G.Chen， L丄.Raja， J.Appl.Phys.96， 6073 (2004))對平行平板型Ar等離子進行模擬的結果。圖4為同樣以50mTorr的氬氣壓力、對電極間30mm、 300mm晶片采用3MHz、 Vrf =160V的RF進行加工的情形下用連續(xù)體模型等離子模擬器(G.Chen， L丄.Raja， J.Appl.Phys.96， 6073 (2004))對平行平板型Ar等離子進行模擬的結果。 圖5為示出適合于基板S的離子能量的分布狀態(tài)的曲線圖。 圖6為概要示出本發(fā)明的基板的等離子處理裝置的一例構成的示意圖。 圖7概要示出的是用圖6所示裝置的情形下加到RF電極上的電壓的疊加波形。 圖8為示出用圖6所示的本例的等離子處理裝置的情形下Vdc (入射離子平均能量) 與RF頻率的相關性的曲線圖。圖9為示出離子能量寬度AEi (eV)與入射離子平均能量Vdc的相關性的曲線圖。 圖10為示意性地表示在加工基板時設置脈沖電壓停止時間情形下相對于時間的電壓 外加曲線的曲線圖。圖11為示意性地表示與圖IO的電壓外加曲線相對應的在加工過程中溝槽內(nèi)部帶電狀 況的曲線圖。圖12示意性圖示的是加工過程中溝槽的形狀。圖13為示出圖6所示的等離子處理裝置的變形例的構成圖。圖14為示出實施例中離子能量分布狀態(tài)的曲線圖。圖15為示出實施例中脈沖電壓的占空比和平均離子能量Vdc之間關系的曲線圖。 圖16為同樣示出實施例中離子能量分布狀態(tài)的曲線圖。 (標號說明)10、 20 (基板的)等離子處理裝置11、 21室12、 22 RF電極13、 23對置電極14、 24氣體導入管15、 25排氣口16、 26匹配器17、 27 RF電源28 低通濾波器29 脈沖電源32 蝕刻終點檢測監(jiān)視器或基底變化檢測監(jiān)視器 S 基板 P 等離子具體實施方式
下面基于實施本發(fā)明用的具體實施方式
詳細說明本發(fā)明的基板的等離子處理裝置以 及等離子處理方法。本發(fā)明一例中，由所述RF電壓外加裝置加到所述RF電極上的所述RF電壓的頻率(w rf/2Ji)大于等于50MHz，所述脈沖電壓外加裝置的所述控制機構至少控制所述脈沖電壓 的脈沖寬度tl (s)和脈沖電壓值Vpulse (V)，由該控制機構進行控制使得所述脈沖寬度 tl成立tl》2n/ (cop/5) ("p為等離子角頻率，(e2No/eoMi) 1/2， e:電子單位電 量，e0:真空介電常數(shù)，Mi:離子質(zhì)量(kg)， No:等離子密度(個/m3))，脈沖電壓值 Vpulse為I Vp_p I < I Vpulse I (Vp—p為所述RF電壓的電壓值)。由此，能夠以簡易 且良好的狀態(tài)實施上述第1加工方法。另外，本發(fā)明一例中，由所述RF電壓外加裝置加到所述RF電極的所述RF電壓的頻 率("rf/2ir)大于等于50MHz，所述脈沖電壓外加裝置的所述控制機構至少控制所述脈沖電壓的脈沖寬度tl (s)和重復時間t2 (s)，由該控制機構進行控制使得所述脈沖寬度tl 和所述重復時間t2成立2 3i/"rf<tl<t2< 2n / (cop/5) (cop為等離子角頻率，cop =(e2No/e0Mi) 1/2， e:電子單位電量，e o:真空介電常數(shù)，Mi:離子質(zhì)量(kg), No: 等離子密度(個/m3))。由此，能夠以簡易且良好的狀態(tài)實施上述第2加工方法。另外，上述任一例中，之所以使所述RF電壓外加裝置加到所述RF電極上的所述RF 電壓的頻率(a)rf/2兀)大于等于50MHz，是由于要使RF電壓所引起的平均基板入射能量 Vdc為不影響基板處理這類足夠低的值的緣故。換言之，本發(fā)明的上述實施方式中，之所 以對RF電極始終外加RF電壓，其原因是要高效生成等離子、以及即便是基板上沉積有絕 緣性膜的情形也要高效生成等離子并用該等離子實現(xiàn)基板加工等。因而，本發(fā)明的上述實施方式便可主要利用疊加于RF電壓上的脈沖電壓來進行基板 處理。而且，隨著RF電壓頻率的增高，入射至基板的離子能量的低能量側峰值和高能量側 峰值間的離子能量寬度AEi減小。所以，通過使RF電壓的頻率增大、尤其使其大于等于 50MHz，便如上所述，使所述低能量側峰值和高能量側峰值極其接近，并收窄頻帶視為單 一的能量峰值、利用其能量與經(jīng)過單一化處理的能量峰值相當?shù)碾x子進行基板加工是比較 有利的。另外，本發(fā)明中上述脈沖電壓可以為負脈沖電壓。通常，通過外加RF電壓生成等離 子的情況下，被外加所述RF電壓的RF電極根據(jù)自偏壓原理而為負電位。所以，所述RF 電極附近的正離子受到向負電位側偏移的周期性的電壓(RF電壓)的影響，將該RF電壓 作為加速電壓沖擊基板，對所述基板進行加工等處理。根據(jù)上述觀點，使所述脈沖電壓為 正電壓的話，便會部分抵消所述RF電壓，會無法對所述正離子形成良好的加速電壓。因而，可通過將上述脈沖電壓設定為負脈沖電壓來避免上述那樣的問題。而本發(fā)明一例中，由所述脈沖電壓外加裝置的所述控制機構進行控制使得所述脈沖電 壓的連續(xù)外加脈沖數(shù)nl成立nl< e o e s/ (ZeNivbtl) x (Vmax/d) ( e 0為真空介電常數(shù)， es為加工的溝槽底部的介電常數(shù)，Z為離子價數(shù)，vb為離子束速度vb二 (kTi/Mi) 1/2， tl 為脈沖外加時間(s)， d為底部絕緣體膜厚，Vmax/d為絕緣耐壓)。由此，能夠有效抑制 所述基板的加工部位尤其是底部的絕緣破壞。此外，本發(fā)明一例中，由所述脈沖電壓外加裝置的所述控制機構進行控制使得所述脈 沖電壓的外加時間tl成立tl< e o e s/ (ZeNivb) x (Vmax/d) ( e 0為真空介電常數(shù)，e s 為加工的溝槽底部的介電常數(shù)，Z為離子價數(shù)，vb為離子束速度vb- (kTi/Mi) 1/2， d為底部絕緣體膜厚，Vmax/d為絕緣耐壓)。由此，能夠有效抑制所述基板的加工部位尤其是 底部的絕緣破壞。另外，上述關系式可如下文所述推導出來。另外，各式中所使用的字符與上述關系式 的附加說明中所記述的內(nèi)容相同。最初，基板的加工部位尤其是底部所帶的電荷量可用下式表示。 Q = SXZeNivb (tlXnl) (S:加工部位的底部面積) 所述加工部位的靜電電容可用下式表示。 C= e o e sXS/d因而，這種情形加工部位底部所附加的電壓V可用下式表示。 V = Q/C=ZeNivb (tlXnl) Xd/eo"其結果，令使所述加工部位的底部不發(fā)生絕緣破壞而能夠外加的電壓最大值為Vmax， 由于必須滿足Vmax>V的關系，所以將上述關系式著眼于所外加的脈沖電壓，以該脈沖 數(shù)nl和脈沖外加時間tl進行整理的話，便可得到如上所述的關系式。而本發(fā)明一例中，由所述脈沖電壓外加裝置的所述控制機構進行控制使得所述脈沖電 壓的電壓值Vpulse (V)成立(vtherm/vdc) 1/2《0.5L1/L2 (離子的熱速度vtherm為vtherm =(8kTi/兀Mi)/2， vdc= (2eZxVpulse/Mi) 1/2， Ll為加工的溝槽寬度，L2為溝槽深度)。 通過滿足上述條件，上述等離子中的離子便相對于所述基板的加工部位(溝槽)到達其底 部而非沖擊其側壁。所以，能夠提高所述基板的加工效率。此外，本發(fā)明一例中，可由所述脈沖電壓外加裝置的所述控制機構進行控制使得所述 脈沖連續(xù)外加后的停止時間t3成立nlXU《t3。這種情況下，與所述脈沖電壓的外加時間 相比較，使此后的停止時間延長，所以能夠有效抑制如上所述基板的加工部位的帶電。而且，上述基板的等離子處理裝置可具有蝕刻終點檢測裝置和基底變化檢測裝置中至 少一個，由此可設法使脈沖外加時間tl、脈沖停止時間t3、以及脈沖電壓Vpulse中至少一 個改變。由此，便可將基板的加工狀況立刻反映為加工條件，所以能夠?qū)λ龌暹M行精 細且有效的加工。另外，本發(fā)明中所謂的"RF電壓外加裝置"可包含本領域的技術人員能夠理所當然想 到的RP發(fā)生器和阻抗匹配器。另外，根據(jù)需要也可包含適當?shù)姆糯笃?。此外，本發(fā)明中所謂的"脈沖外加裝置"，除了本領域的技術人員能夠理所當然想到 的脈沖發(fā)生器以外，還可包含適當?shù)姆糯笃骱偷屯V波器。還鑒于如上所述的本發(fā)明的附加特征，將本發(fā)明的基板的等離子處理裝置和方法與其它的基板的等離子處理裝置和方法進行對比并加以說明。 (采用基板的等離子處理裝置的對比例)圖1為概要示出現(xiàn)有的基板等離子處理裝置這一對比例的構成的示意圖。圖1所示的基板的等離子處理裝置10中，高頻(RF)電極12和對置電極13互相相 對配置于抽排至預定真空度的真空室11內(nèi)，并將要用于處理的基板S保持于RF電極12 的與對置電極13相對的主面上，構成所謂的平行平板型等離子處理裝置。其構成為如箭 頭所示將等離子生成以及利用其進行的基板S加工所要使用的氣體從所述氣體導入管導入 真空室11內(nèi)，同時用未圖示的真空泵從排氣口 15將真空室11內(nèi)抽排成真空。這時真空室 11內(nèi)的壓力為例如約1Pa左右。然后，通過由13.56MHz的商用RF電源17經(jīng)過匹配器16將RF (電壓)加到RF電 極12上，從而在RF電極12和對置電極13之間生成等離子P。這時，等離子P中的正離子利用RF電極12上所產(chǎn)生的負的自偏置電位Vdc高速入射 至RF電極12上的基板S。其結果是，利用此時的基板入射能量來引發(fā)基板S上的表面反 應，進行反應性離子蝕刻(RIE)、 CVD (化學氣相沉積)、濺射、離子注入等這類等離子 基板處理。尤其是從加工基板的角度考慮，主要采用RIE。因而，下面尤其圍繞用RIE法 的基板處理進行具體說明。圖l所示這種等離子處理裝置中，如圖2所示，RF功率增大的同時Vdc (平均的基板 入射能量)亦增大，為了調(diào)整處理速率、調(diào)整加工形狀，主要利用RF功率進行Vdc的調(diào) 整。另外，Vdc所依賴的壓力或電極形狀也能夠進行部分調(diào)整。圖3、圖4為用連續(xù)體模型等離子模擬器(G.Chen， L丄.Raja， J.Appl.Phys.96， 6073 (2004))對3MHz、 Vrf=160V、 50mTorr、電極間30mm、 300mm晶片尺寸的平行平板型 Ar等離子進行模擬的結果。另外，圖5為示出適合于基板S的離子能量的分布狀態(tài)的曲線 圖。如圖3所示，由于RF電極電位周期性變動，因而離子的基板入射能量也周期性變動。 但由于存在離子質(zhì)量對電位跟蹤的遲滯，所以離子能量以小于Vrf的振幅Vrf'隨時間變動。 離子能量準確來說為Vdc和等離子電位Vp兩者之和，但Vp值和隨時間的變化相對較小， 所以其說明以及圖3中均有所省略。因此，入射至基板S的能量通過對圖3所示的曲線進 行時間積分，從而變成為圖4所示這種分布。從圖4可知，圖1所示這種裝置內(nèi)所生成的等離子當中離子能量可分為低能量側峰值 和高能量側峰值這兩者，其能量寬度AE根據(jù)等離子發(fā)生條件為數(shù)10 數(shù)100 (eV)。因而，即便是將Vdc調(diào)整為最適于基板處理的能量的情況下，也會如圖5所示進行基板入射 的離子當中存在能量過高的離子(高能量側峰值)和能量過低的離子(低能量側峰值)。因而，例如RIE方法中，用能量與高能量側峰值相當?shù)碾x子實施基板處理的情況下， 往往會引發(fā)溜肩(坍肩)造成加工形狀變差。另一方面，用能量與低能量側峰值相當?shù)碾x 子實施基板處理的情況下，往往因小于等于表面反應閾值而對基板處理完全不起作用，或 隨各向異性變差(離子入射角度因熱速度而有所擴展)造成加工形狀變差。 (采用本發(fā)明的基板的等離子處理裝置的具體例)圖6為概要示出本發(fā)明的基板等離子處理裝置的具體例的構成的示意圖。圖7概要示 出的是用圖6所示裝置的情形下加到RF電極上的電壓的疊加波形。另外，主要圍繞RIE 法說明采用上述等離子處理裝置情形的等離子處理方法。如圖6所示，本例中的基板的等離子處理裝置20中，高頻(RF)電極22和對置電極 23互相相對配置于抽排至預定真空度的真空室21內(nèi)，并將要用于處理的基板S保持于RF 電極22的與對置電極23相對的主面上，構成所謂的平行平板型等離子處理裝置。其構成 為如箭頭所示將等離子生成以及利用其進行的基板S加工所要使用的氣體從所述氣體導入 管24導入室21內(nèi)，同時用未圖示的真空泵從排氣口25將室21內(nèi)抽排成真空。作為所述氣體來說，除了使用Ar、 Kr、 Xe、 N2、 02、 CO、 H2等氣體之外，還可適當 使用SF6或CF4、 C2F6、 C4F8、 C5F8、 C4F6、 Cl2、 HBr、 SiH4、 SiF4等加工氣體。另外，室 21內(nèi)的壓力可根據(jù)對基板S的加工速度或所使用氣體的種類等適當設定，但可保持為例如 數(shù)Pa量級。接下來，從RF電源27經(jīng)過匹配器26將RF (電壓)加到RF電極22上的同時，還設 法從脈沖電源29經(jīng)過低通濾波器28同樣將脈沖電壓加到RF電極22上。于是，如圖7所 示RF電壓和脈沖電壓以疊加的狀態(tài)加到RF電極22上。由此，RF電極22和對置電極23 間便可生成等離子P，該等離子P當中的正離子由RF電極22上的負電壓(平均能量為 Vdc)加速來高速入射基板S，對基板S進行加工處理。另夕卜，RF電源27和脈沖電源29內(nèi)可以根據(jù)需要內(nèi)置用于將上述電源所發(fā)出的RF電 壓和脈沖電壓放大的放大器。上述脈沖電壓較好為負的脈沖電壓。如上所述，等離子P當中的正離子由于RF電極 22上所產(chǎn)生的負電壓作用而高速入射至RF電極22上的基板S，對基板S進行加工處理。 另外，圖7中雖未具體示出，但也如圖3所示的那樣，外加于RF電極22的RF電壓根據(jù) 上述自偏置電位，主要在負電壓值區(qū)域變化。因而，使所述脈沖電壓為正電壓的話，就會部分抵消所述RF電壓，對于所述正離子無法形成良好的加速電壓。因而，可通過使上述脈沖電壓為負的脈沖電壓，來避免上述問題產(chǎn)生。圖8為示出用圖6所示的本例的等離子處理裝置外加RF的情形下Vdc (入射離子平 均能量)與RF頻率的相關性的曲線圖。圖9為示出離子能量寬度AEi (eV)與入射離子 平均能量Vdc的相關性的曲線圖。另外，圖8中所示的曲線圖和圖2中所示的曲線圖基本 相同。由圖8可知，隨著外加于RF電極22的RF電壓的頻率增大，入射離子平均能量Vdc 減小，尤其是RF功率小于等于2.2W/cn^量級，RF頻率超過50MHz的話，便成為不影響 基板處理這種閾值約小于等于50eV。而且，即便是超過2.2W/cn^這種RF能量，Vdc與 RF頻率的相關性也極小。因而可以知道，通過使外加于RF電極22的RF頻率大于等于 50MHz，從而RF電壓不會影響基板處理，只有(負)脈沖電壓的控制對基板處理有影響。換言之，因為可以只通過(負)脈沖電壓的控制來調(diào)整基板處理的狀態(tài)，所以能夠簡 化對于基板處理的操作，可以使其操作便利性有較大的提高。因而，本例中尤其是對RF電極22始終外加RF電壓，其主要目的是高效生成等離子、 以及即便是基板S上沉積有絕緣性膜的情形也能高效生成等離子并用該等離子實現(xiàn)基板加 工等。而且，如圖9所示，同樣對于Vdc，隨著RF電壓的頻率增大，如圖4所示的入射至 基板的離子能量其低能量側峰值和高能量側峰值間的離子能量寬度AEi減少。所以，使 RF電壓頻率增大，尤其增大為大于等于50MHz，對如下面詳細敘述的那樣使所述低能量 側峰值和高能量側峰值極其靠近并收窄頻帶來當作單一的能量峰值，用能量與經(jīng)過該單一 化處理的能量峰值相當?shù)碾x子進行基板加工是有利的。用未圖示的例如脈沖電源29內(nèi)所內(nèi)置的規(guī)定的控制機構進行控制，使得脈沖電源29 所生成的脈沖電壓的脈沖寬度tl (s)和脈沖電壓值Vpulse (V)成立tl》2n/(cop/5)(" p為等離子角頻率，"p= (e2No"0Mi) 1/2， e:電子單位電量，e o:真空介電常數(shù)，Mi: 離子質(zhì)量(kg)， No:等離子密度(個/m3))，脈沖電壓值Vpulse為I Vp_p | < I Vpulse I (Vp—p為所述RF電壓的電壓值)。這種情況下，由于離子能夠跟蹤脈沖電壓，所以在時間上對該離子能量進行積分，獲 得圖4所示的曲線圖的情況下，低能量側峰值便偏移至對處理沒有影響這種極低能量區(qū)域。 因而，通過只將高能量側峰值設定在最合適的能量范圍內(nèi)，能夠只用該高能量側峰值對基 板進行處理(加工)。也就是說，利用該高能量側峰值原本具有的收窄頻帶的特性，同時優(yōu)化上述能量范圍的話，便能夠精細控制基板的加工形狀(第l加工方法)。另外，高能量側峰值的能量值可以由脈沖電壓的電壓值Vpulse控制。 此外，用未圖示的例如脈沖電源29內(nèi)所內(nèi)置的規(guī)定的控制機構進行控制，使得脈沖 電源29所生成的脈沖電壓的脈沖寬度tl (s)和重復時間t2 (s)成立2n/wrf〈tKt2〈 2 n / ("p/5) ("p為等離子角頻率，"p= (e2No/e0Mi) 1/2， e:電子單位電量，e 0:真 空介電常數(shù)，Mi:離子質(zhì)量(kg)， No:等離子密度(個/m3))。這種情況下，由于離子無法跟蹤脈沖電壓，所以在時間上對該離子能量進行積分，獲 得圖4所示這種曲線圖的情況下，低能量側峰值和上述高能量側峰值便極其接近，可以將 這兩者當作一體化的能量峰值。也就是說，可通過使低能量側峰值和上述高能量側峰值極其接近地存在，從而將這兩者一并作為具有收窄頻帶的能量寬度的單一能量峰值加以使 用。因而，對經(jīng)過這樣單一化處理的能量峰值的能量范圍進行優(yōu)化，并對所述低能量側峰 值和所述高能量側峰值的接近程度即對經(jīng)過所述單一化處理的能量峰值的收窄頻帶程度 進行優(yōu)化的話，便可利用經(jīng)過所述單一化處理的能量峰值來精細控制基板的加工形狀(第 2加工方法)。另外，經(jīng)過上述單一化處理的能量峰值的能量值可以通過控制脈沖電壓的電 壓值Vpulse和/或占空比來進行適當調(diào)整。另一方面，上述第1加工方法和第2加工方法其中任一種，連續(xù)外加脈沖電壓(和RF 電壓)進行連續(xù)加工的話，基板S的加工部位即加工的形成過程中的溝槽(溝道)尤其是 底部便會荷帶正電。結果，入射溝槽內(nèi)的離子等有時會受到所述荷帶電荷產(chǎn)生的庫侖力的 作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，無法到達所述溝槽的底部，尤其難以對高寬比較大的溝槽進行加工。此 外，所述溝槽底部帶電的電荷量一旦增大，有時會產(chǎn)生以所述溝槽底部為基點的絕緣破壞。根據(jù)上述觀點，對基板S進行加工形成上述溝槽的情況下，外加所述脈沖電壓達到規(guī) 定時間之后，最好停止外加所述脈沖電壓。由此，能夠有效抑制所述溝槽底部的帶電，并 能夠消除上述各種問題。圖10為示意性地表示加工基板S時設置脈沖電壓停止時間情形下相對于時間的電壓 外加曲線的曲線圖。圖11為示意性地表示此時加工過程中溝槽內(nèi)帶電狀況的曲線圖。另外， 上述任一圖中波形(a)示出不設置停止時間而是連續(xù)外加脈沖電壓的情形，而波形(b) 示出設置停止時間的同時外加脈沖電壓的情形。如圖10 (b)所示，本發(fā)明中，上述第1加工方法和第2加工方法其中任一種方法， 均在外加脈沖電壓達規(guī)定時間之后針對脈沖電壓的外加設定停止時間。于是，如圖11中的波形(b)所示，外加脈沖電壓過程中處于加工過程中的溝槽底部的帶電量近似線性地增 大，但所述脈沖電壓一旦停止外加，其帶電量便急劇減少。這是由于帶電的正電荷經(jīng)過基 板擴散而被中和所造成的。因而，能夠有效抑制加工過程中的溝槽底部帶電，可以抑制如 上所述這種加工精度變差和絕緣破壞等。另一方面，如圖10 (a)所示，不設置停止時間而連續(xù)外加脈沖電壓的話，如圖11中 的波形(a)所示處于加工過程中的溝槽底部的帶電量近似線性地增大。因而，加工過程中 的溝槽底部的帶電量增大，用于加工的離子并未到達所述溝槽底部，精細加工變得困難， 此外有時也會產(chǎn)生絕緣破壞。另外，為了有效防止以加工過程中的溝槽為基點的絕緣損壞，由脈沖電源29內(nèi)設置 的所述控制機構進行控制，使得所述脈沖電壓的連續(xù)外加脈沖數(shù)nl成立nl<eoeS/ (ZeNivbtl) x (Vmax/d) ( eo為真空介電常數(shù)，e s為加工的溝槽底部的介電常數(shù)，Z為 離子價數(shù)，vb為離子束速度vb二 (kTi/Mi) 1/2, tl為脈沖外加時間(s)， d為底部絕緣體 膜厚，Vmax/d為絕緣耐壓)。同樣進行控制，使得所述脈沖電壓的外時間tl成立tKeo e s/ (ZeNivb) x (Vmax/d) ( e 0為真空介電常數(shù)，e s為加工的溝槽底部的介電常數(shù)，Z 為離子價數(shù)，vb為離子束速度vb二 (kTi/Mi) 1/2, d為底部絕緣體膜厚，Vmax/d為絕緣耐 壓)。上述關系式考慮了不至于絕緣破壞的最大電壓Vmax (V<Vmax)而得到所述溝槽底 部帶電的電荷量所產(chǎn)生的電壓V，其推導過程如上所述。而且，為了使有助于加工的離子不沖擊加工過程中的溝槽的側面，直到其溝槽底部為 止，提高其加工效率，同時為了促進精細的加工，控制使得所述脈沖電壓的電壓值Vpulse (V)成立(vtherm/vdc) 1/2《0.5L1/L2 (離子的熱速度vtherm為vtherm= (8kTi/nMi) /2， vdc= (2eZxVpulse/Mi) 1/2， Ll為加工的溝槽寬度，L2為溝槽深度)。另外，該關系式是 根據(jù)如圖12所示的溝槽形狀導出的。而且，脈沖連續(xù)外加后的停止時間t3較好是控制為nlXtl《t3。這種情況下，與所述 脈沖電壓的外加時間相比，設法使其后的停止時間較長，因而能夠有效抑制如上所述這種 基板的加工部位的帶電。另外，考慮等離子蝕刻時，例如硅的蝕刻在工藝過程開始時為了消除自然的氧化膜需 要200eV左右較大的離子能量，以后的蝕刻階段中則最好為100eV左右較小的離子能量， 并且在氧化膜等阻擋膜(》卜'7八'一)出現(xiàn)的最后階段出于精密加工的觀點最好以70eV 左右更小的離子能量進行蝕刻。上述工藝所需的離子能量可通過改變本發(fā)明的負脈沖的脈寬tl、重復時間t2、或負脈沖電壓Vpulse中至少一個來改變加工過程，同時還能控制、切 換離子能量。此外，外加脈沖電壓時，脈沖電源中可進行周期性的充電、放電。因此，大于等于充 電所需時間就無法使頻率增大。而且，也難以使占空比大于等于0.5。這種情況下，可通 過準備大于等于2個的脈沖電源，同時用觸發(fā)器將它們連接，并設法使它們在相位上互相 錯開疊加，結果能夠獲得用單一脈沖電源無法得到的、高頻和/或占空比大于等于0.5的脈 沖電壓。此外，可通過改變來自大于等于2個的脈沖電源的電壓Vpulse，形成Vpulse周期性不 同的階梯形狀的脈沖電壓。圖13為示出圖6所示的等離子處理裝置的變形例的構成圖。圖13所示的等離子處理 裝置在RF電極22內(nèi)設置蝕刻終點檢測監(jiān)視器或襯底變化檢測監(jiān)視器32。這樣便可根據(jù)基 板S的加工狀況適當改變脈沖外加時間tl、脈沖停止時間t3、以及脈沖電壓Vpulse中至少 一個，因而能夠?qū)錝進行精細且有效的加工。另外，上述監(jiān)視器可通過監(jiān)視基板S的電阻值等來知道基板S的加工狀態(tài)。 (實施例)下面利用實施例具體說明本發(fā)明，但本發(fā)明當然不限于以下內(nèi)容。另外，下面所示的 具體結果均基于規(guī)定的模擬。 (實施例1)本實施例中研究用圖6所示的等離子處理裝置時的具體動作特性。首先，將C4F8氣體和氧氣導入室21內(nèi)，并使其壓力保持為2 200mTorr。接著，RF 電源27對RF電極22外加100MHz、電壓Vp-p=80V的RF電壓，同時脈沖電源29外加 10MHz、Vpulse二一500V的負電壓脈沖，并使這兩者互相疊加。在等離子密度No=5X 1016 (個/m3)的CF離子的情況下，由于(cop/5) /2n約為1.7MHz，所以對于脈沖電壓的脈 沖寬度tl (s)和重復時間t2 (s)，滿足2:t/"rf〈tKt2〈 2 n / ("p/5)這一條件，并成 為離子連DC脈沖電壓也無法追隨的區(qū)域。因而，如圖14、圖15所示，通過DC負脈沖疊加，與雙頻(Dual)疊加相比離子能 量分布的頻帶收窄。具體來說，通過減小占空比(=tl/t2)，離子能量分布進一步收窄頻帶。 也就是說，可通過改變脈沖占空比，從而控制、改變與占空比大致成正比的平均能量。而 且，離子的平均能量也可通過與脈沖負電壓Vpulse或占空比組合改變進行平均能量控制。另外，加工過程中的溝槽底部的電壓為約50V量級。通常，所述電壓一旦超過約200V就會產(chǎn)生絕緣破壞，所以可通過如上所述抑制電壓，在不至于產(chǎn)生上述絕緣破壞的情況下 進行精細的溝槽加工。 (實施例2)本實施例中也研究用圖6所示的等離子處理裝置時的具體動作特性。本實施例中，RF電源27夕卜加100MHz、電壓Vp-p=80V的RF電壓，同時脈沖電源29外加lMHz、 Vpulse=—250V的負電壓脈沖，并使這兩者互相疊加。另夕卜，其它條件與實施例1相同。本實施例中，因為滿足脈沖寬度tl》2n/ (cop/5)，所以離子能夠跟蹤脈沖電壓。因 此，如圖16所示，低能量側峰值和高能量側峰值互相有較大的離子能量寬度介于其間存 在。另外，可通過如圖16所示加大負電壓脈沖的占空比(二tl/t2)，從而能夠維持上述離 子能量寬度，保持互相間能量位置不變，使高能量側峰值的分布狀態(tài)增大。另外，高能量側峰值的能量值能夠用負脈沖電壓的電壓值Vpulse控制。本實施例中，由于高能量側峰值的能量寬度極窄為8(eV)，所以可通過用這種能量的 離子進行基板處理來進行精細的加工。而且，加工過程中的溝槽底部的電壓為約50V左右。通常，所述電壓一旦超過約200V 就會產(chǎn)生絕緣破壞，所以可通過如上所述抑制電壓，在不至于產(chǎn)生上述絕緣破壞的情況下 進行精細的溝槽加工。以上根據(jù)上述具體例對本發(fā)明進行了詳細說明，但本發(fā)明并不限于上述具體例，只要 不背離本發(fā)明范疇可以作各種變形或改變。舉例來說，上述具體例中，說明的是以R正為中心針對基板加工的等離子處理裝置和 方法，但本發(fā)明也可適當用于其它處理裝置和方法。
權利要求
1.一種基板的等離子處理裝置，其特征在于，具有內(nèi)部可保持真空的室；配置于所述室內(nèi)，并構成為在主面上保持要處理的基板的RF電極；在所述室內(nèi)與所述RF電極相對配置的對置電極；用于對所述RF電極外加規(guī)定頻率的RF電壓的RF電壓外加裝置；以及用于對所述RF電極外加規(guī)定的脈沖電壓以便所述脈沖電壓與所述RF電壓疊加的脈沖電壓外加裝置，所述脈沖電壓外加裝置具有調(diào)整所述脈沖電壓的所述外加的定時、并設定不外加所述脈沖電壓的停止時間的控制機構。
2. 如權利要求1所述的基板的等離子處理裝置，其特征在于， 由所述脈沖電壓外加裝置外加到所述RF電極上的所述脈沖電壓為負脈沖電壓。
3. 如權利要求1或2所述的基板的等離子處理裝置，其特征在于，由所述RF電壓外加裝置加到所述RF電極上的所述RF電壓的頻率("rf/2 n )大于 等于50MHz，所述脈沖電壓外加裝置的所述控制機構至少控制所述脈沖電壓的脈沖寬度tl (s)和脈 沖電壓值Vpulse (V)，由該控制機構進行控制使得所述脈沖寬度tl成立tl》2n/ ("p/5) ("p為等離子角頻率，"p= (e2No/e0Mi) 1/2， e:電子單位電量，e 0:真空介電常數(shù)， Mi:離子質(zhì)量(kg)， No:等離子密度(個/m3))，脈沖電壓值Vpulse為I Vp—p I < I Vpulse I (Vp—p為所述RF電壓的電壓值)。
4. 如權利要求1或2所述的基板的等離子處理裝置，其特征在于，由所述RF電壓外加裝置加到所述RF電極上的所述RF電壓的頻率(corf/2 n )大于 等于50MHz，所述脈沖電壓外加裝置的所述控制機構至少控制所述脈沖電壓的脈沖寬度tl (s)和重 復時間t2 (s)，由該控制機構進行控制使得所述脈沖寬度tl和所述重復時間t2成立2 n / "rf<tl<t2< 2n/ ("p/5) (cop為等離子角頻率，"p= (e2No/e oMi) 1/2, e:電子單位電量，eo:真空介電常數(shù)，Mi:離子質(zhì)量(kg)， No:等離子密度(個/m3))。
5. 如權利要求1或2所述的基板的等離子處理裝置，其特征在于，由所述脈沖電壓外加裝置的所述控制機構進行控制使得所述脈沖電壓的連續(xù)外加脈 沖數(shù)nl成立nl〈 e o e s/ (ZeNivbtl) x (Vmax/d) ( e 0為真空介電常數(shù)，e s為加工的溝 槽底部的介電常數(shù)，Z為離子價數(shù)，vb為離子束速度vb二 (kTi/Mi) 1/2, tl為脈沖外加時 間(s)， d為底部絕緣體膜厚，Vmax/d為絕緣耐壓)。
6. 如權利要求1或2所述的基板的等離子處理裝置，其特征在于， 由所述脈沖電壓外加裝置的所述控制機構進行控制使得所述脈沖電壓的外加時間tl成立tl< e o e s/ (ZeNivb) x (Vmax/d) ( e o為真空介電常數(shù)，e s為加工的溝槽底部的 介電常數(shù)，Z為離子價數(shù)，vb為離子束速度vb= (kTi/Mi) 1/2， d為底部絕緣體膜厚，Vmax/d 為絕緣耐壓)。
7. 如權利要求1或2所述的基板的等離子處理裝置，其特征在于， 由所述脈沖電壓外加裝置的所述控制機構進行控制使得所述脈沖電壓的電壓值Vpulse(V)成立(vtherm/vdc) I/2《0.5L1/L2 (離子的熱速度vtherm為vtherm= (8kTi/nMi) /2， vdc二 (2eZxVpulse/Mi) |/2, Ll為加工的溝槽寬度，L2為溝槽深度)。
8. 如權利要求5所述的基板的等離子處理裝置，其特征在于，由所述脈沖電壓外加裝置的所述控制機構進行控制使得所述脈沖連續(xù)外加后的停止 時間t3成立 nlXtl《t3。
9. 如權利要求1或2所述的基板的等離子處理裝置，其特征在于， 具有蝕刻終點檢測裝置和襯底變化檢測裝置中至少一個，由所述檢測裝置改變脈沖外加時間tl、脈沖停止時間t3、以及脈沖電壓Vpulse中至少一個。
10. —種基板的等離子處理方法，其特征在于，包括在內(nèi)部保持真空的室內(nèi)RF電極和與所述RF電極相對的對置電極之間將要處理的基板 保持于所述RF電極的主面上的工序；對所述RF電極外加規(guī)定頻率的RF電壓的工序；對所述RF電極外加規(guī)定的脈沖電壓以便所述脈沖電壓與所述RF電壓疊加的工序；以及調(diào)整所述脈沖電壓的外加的定時，并設定不外加所述脈沖電壓的停止時間的工序。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在平行平板型等離子處理裝置中具有適于基板加工的離子能量，還可使該離子能量寬度減小來精細控制加工形狀的基板的等離子處理裝置以及等離子處理方法。等離子處理裝置構成為包括內(nèi)部保持真空的室；配置于其內(nèi)部、并構成為在主面上保持要處理的基板的RF電極；以及與該RF電極相對配置的對置電極；用于對所述RF電極外加規(guī)定頻率的RF電壓的RF電壓外加裝置；以及用于對所述RF電極外加規(guī)定的脈沖電壓以便其與所述RF電壓疊加的脈沖電壓外加裝置。所述脈沖電壓外加裝置具有調(diào)整所述脈沖電壓的所述外加的定時、并設定不外加所述脈沖電壓的停止時間的控制機構。
文檔編號H05H1/46GK101277580SQ200810090518
公開日2008年10月1日 申請日期2008年3月26日 優(yōu)先權日2007年3月27日
發(fā)明者宇井明生, 小島章弘, 市川尚志, 林久貴, 玉置直樹 申請人:株式會社東芝