专利名称：等离子体处理方法和等离子体处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对被处理基板实施等离子体处理的技术，特别是涉及对配置于等离子体空间的基板施加离子引入用高频的等离子体处理方法和等离子体处理装置。
背景技术：
在半导体器件或FPD (Flat Panel Display，平板显示器)的制造工艺(process， 处理)中的蚀刻、堆积(沉积)、氧化、溅射等处理中，为了使处理气体在比较低的温度下进行良好的反应，大多利用等离子体。在这种等离子体工艺中，为了使处理气体在真空的处理容器内放电或电离，使用高频(RF)或微波。例如，在电容耦合型的等离子体处理装置中，在处理容器内平行地配置有上部电极和下部电极，在下部电极上载置有被处理基板(半导体晶片、玻璃基板等)，对上部电极或下部电极施加适于等离子体生成的频率(通常为13.56MHz以上)的高频。通过施加该高频，在相对的电极间生成的高频电场使电子加速，因电子与处理气体的碰撞电离而产生等离子体。而且，通过该等离子体中所含的自由基、离子的气相反应或表面反应，在基板上堆积薄膜，或者削除基板表面的材料或薄膜。这样，在等离子体工艺中，入射到基板的自由基和离子起到重要的作用。特别是， 离子通过入射到基板时的碰撞而发挥物理作用这一点很重要。一直以来，在等离子体工艺中，大多使用RF偏置法，S卩，对载置基板的下部电极施加频率较低(通常为13. 56MHz以下)的高频，通过在下部电极上产生的负偏置电压或鞘电压(sheath voltage)，加速等离子体中的离子并将其引入到基板。这样，通过从等离子体中加速离子使其与基板表面碰撞，能够促进表面反应、各向异性蚀刻或膜的改质等。现有技术文献专利文献[专利文献1]日本特开平7-302768
发明内容
发明要解决的课题搭载如上所述的RF偏置功能的现有等离子体处理装置中，将对下部电极施加的离子引入用高频限定为1种(单一频率)，以该高频的功率、下部电极上的自身偏置电压或鞘电压作为控制参数。然而，本发明人在等离子体工艺的技术开发中对于RF偏置的作用进行了反复研究的结果，明确了在离子引入用途中使用单一高频的现有方式，在要求复合的工艺特性的最尖端的等离子体工艺中，在离子能量分布的控制性方面存在困难。更详细地讲，当在离子引入用途中使用单一高频时，对入射到基板的离子的能量分布(IED Jon Energy Distribution)进行了解析，如图19A 19C和图20A 图20C所示，所有入射离子的能量定型地收敛于连续的能带中，离子大多集中在最大能量附近和最小能量附近(出现峰)。从而，如果不仅离子能量的平均值，而且离子大量集中的最大能量和最小能量能够自由地变化，则估计可以提高等离子体工艺中所要求的RF偏置功能的控制性，但是实际情况并非如此。根据现有方式，在离子引入用途中使用频率较低的例如0. 8MHz的高频的情况下， 如果其RF功率可变，则离子能量分布特性如图19A(低功率)、图19B(中功率)、图19C(高功率)所示那样变化。即，在最小能量大致固定为OeV的状态下，最大能量与RF功率成比例地变化为 IOOOeV (图 19A)、2000eV(图 19B)、3000eV(图 19C)。然而，在离子引入用途中使用频率较高的例如13MHz的高频的情况下，如果其RF 功率变化，则离子能量分布特性如图20A(低功率)、图20B(中功率)、图20C(高功率)所示那样变化。即，最大能量与RF功率成比例地变化为650eV、1300eV、1950eV，而另一方面， 最小能量也与RF功率成比例地变化为350eV、700eV、1050eV。另外，虽然图19A 图19C和图20A 图20C的离子能量分布特性是关于Ar+ (氩) 离子的特性，但是在其他离子中也能够观察到同样的特性(图案)。这样，在现有方式中，即便能够使离子能量分布的最大能量或平均能量任意可变， 也不能使最小能量独立于最大能量地任意可变。从而，不能实现例如由图20C的假想线(点划线)K表示的离子能量分布特性。基于上述情况，如在本发明的实施方式的说明中所述的那样，在例如HARC(High Aspect Ratio Contact，高深宽比接触)的等离子体蚀刻中，不能巧妙地回避蚀刻速度及选择比与蚀刻形状之间的折衷成为问题。本发明是为了解决上述的现有技术问题而完成的，其目的在于提供一种能够提高 RF偏置功能的控制性，针对微细加工的各种要求条件实现等离子体工艺的最优化的等离子体处理方法和等离子体处理装置。用于解决课题的方法本发明的等离子体处理方法，在能够进行真空排气的处理容器内配置的第一电极上载置被处理基板的工序；在上述处理容器内激励处理气体来生成等离子体的工序；对上述第一电极重叠地施加频率不同的第一高频和第二高频，以从上述等离子体向上述基板引入离子的工序；和在上述等离子体下对上述基板实施所期望的等离子体处理的工序，在上述等离子体处理中，控制上述第一高频和第二高频的总功率和功率比，使得依赖于被引入到上述基板的离子的能量的至少1个工艺特性最优化。另外，本发明的等离子体处理装置，将被处理基板能够搬出搬入地收容的能够进行真空排气的处理容器；向上述处理容器内供给所期望的处理气体的处理气体供给部；在上述处理容器内生成上述处理气体的等离子体的等离子体生成部；在上述处理容器内载置并保持上述基板的第一电极；对上述第一电极施加具有第一频率的第一高频，以从上述等离子体向上述第一电极上的上述基板引入离子的第一高频供电部；对上述第一电极施加具有比上述第一频率高的第二频率的第二高频，以从上述等离子体向上述第一电极上的上述基板引入离子的第二高频供电部；和控制上述第一高频和第二高频的总功率和功率比，使得依赖于从上述等离子体被引入到上述基板的离子的能量的至少一个工艺特性最优化。在本发明中，对载置被处理基板的第一电极重叠地施加分别具有适于离子引入的第一频率和第二频率的第一高频和第二高频，对这些第一高频和第二高频的总功率和功率比可变地进行控制。由此，能够在从等离子体入射到基板的离子的能量分布中独立地控制最小能量和最大能量，进而，也能够使离子能量分布特性的形状为凹形或平坦形，能够针对各种工艺特性或复合的工艺特性，使离子能量分布特性最优化，进而使工艺特性最优化。发明的效果根据本发明的等离子体处理方法和等离子体处理装置，通过如上所述的结构和作用，能够提高RF偏置功能的控制性，针对微细加工的各种要求条件实现等离子体工艺的最优化。
图1是表示本发明一个实施方式的等离子体处理装置的结构的纵截面图。图2表示实施方式的双频RF偏置法中的鞘电压和离子响应电压的波形。图3表示实施方式中所使用的变换函数。图4表示单频RF偏置法中的离子能量分布和离子响应电压。图5表示双频RF偏置法中的离子能量分布和离子响应电压。图6A表示在实施方式中，在使离子能量分布的最大能量固定不变的情况下，能够在一定范围内任意调节最小能量的功能。图6B表示在使离子能量分布的最大能量固定不变的情况下，能够在一定范围内任意调节最小能量的功能。图6C表示在使离子能量分布的最大能量固定不变的情况下，能够在一定范围内任意调节最小能量的功能。图7A表示在实施方式中，在使离子能量分布的最小能量固定不变的情况下，能够在一定范围内任意调节最大能量的功能。图7B表示在使离子能量分布的最小能量固定不变的情况下，能够在一定范围内任意调节最大能量的功能。图7C表示在使离子能量分布的最小能量固定不变的情况下，能够在一定范围内任意调节最大能量的功能。图8A表示在实施方式中，在使能量中心值固定不变的情况下，能够使能带的宽度在一定范围内任意可变的功能。图8B表示在使能量平均值(中心值)固定不变的情况下，能够使能带的宽度在一定范围内任意可变的功能。图8C表示在使能量平均值固定不变的情况下，能够使能带的宽度在一定范围内任意可变的功能。图8D表示在使能量平均值固定不变的情况下，能够使能带的宽度在一定范围内任意可变的功能。图8E表示在使能量平均值固定不变的情况下，能够使能带的宽度在一定范围内任意可变的功能。图9用于说明实施方式的双频偏置法中的频率的组合方法。图10是示意地表示HARC工艺的蚀刻加工的纵截面图。图IlA是表示在SW2膜的蚀刻中，使C4F8气体的流量变化时的蚀刻速度和CF聚合膜的厚度的曲线图。
图1IB是表示SiN膜的蚀刻中，使C4F8气体的流量变化时的蚀刻速度和CF聚合膜的厚度的曲线图。图12是示意地表示HARC工艺中的缩颈(necking，柱颈)的纵截面图。图13是表示HARC工艺中的氧化膜和有机膜的蚀刻效率的离子能量依赖性，和以现有方式的单频偏置与此对应的情况下离子能量分布特性的特性图。图14是表示HARC工艺中的氧化膜和有机膜的蚀刻效率的离子能量依赖性，和以实施方式的双频偏置与此对应的情况下离子能量分布特性的特性图。图15表示在HARC工艺中离子入射到掩模(有机膜)的各部分时的入射角度。图16表示在利用双频偏置法的HARC工艺中所得到的图案(pattern)截面形状和特性数据。图17表示在利用双频偏置法的HARC工艺中所得到的图案截面形状(放大图)和特性数据。图18是表示其他实施方式的等离子体处理装置的结构的纵截面图。图19A表示在使用频率较低的现有的单频偏置法中使RF功率降低时所得到的离子能量分布。图19B表示在使用频率较低的现有的单频偏置法中将RF功率选择为中等的值时所得到的离子能量分布。图19C表示在使用频率较低的现有的单频偏置法中使RF功率提高时所得到的离子能量分布。图20A表示在使用频率较高的现有的单频偏置法中使RF功率降低时所得到的离子能量分布。图20B表示在使用频率较高的现有的单频偏置法中将RF功率选择为中等的值时所得到的离子能量分布。图20C表示在使用频率较高的现有的单频偏置法中使RF功率提高时所得到的离子能量分布。
具体实施例方式以下，参照图1 图18说明本发明的优选实施方式。[装置整体结构]图1表示本发明一个实施方式的等离子体处理装置的结构。该等离子体处理装置构成为下部双频/上部单频施加方式的电容耦合型等离子体蚀刻装置，例如具有表面进行过耐蚀铝(alumite)处理(阳极氧化处理)的由铝构成的圆筒形的真空腔室(处理容器)10。腔室10安全接地。在腔室10的底部，隔着陶瓷等绝缘板12配置有圆柱形的基座支承台14，在该基座支承台14上例如设置有由铝构成的基座16。基座16构成下部电极，在其上作为被处理基板，例如载置有半导体晶片W。在基座16的上表面设置有用于以静电吸附力保持半导体晶片W的静电卡盘18。 该静电卡盘18将由导电膜构成的电极20夹在一对绝缘层或绝缘片之间，直流电源22经由开关M与电极20电连接。利用来自直流电源22的直流电压，能够以静电力将半导体晶片W吸附保持在静电卡盘18。在静电卡盘18的周围，在基座16的上表面，配置有用于提高蚀刻的面内均勻性的例如由硅构成的聚集环26。在基座16和基座支承台14的侧面贴附有例如由石英构成的圆筒形的内壁部件观。在基座支承台14的内部，设置有例如沿着圆周方向延伸的制冷剂室或制冷剂通道30。在该制冷剂通道30，从外设的制冷单元(未图示)经由配管32a、32b循环供给规定温度的制冷剂例如冷却水Cw0能够根据制冷剂cw的温度控制基座16上的半导体晶片W的处理温度。进而，来自传热气体供给机构(未图示)的传热气体例如He气，经由气体管路 34，被供给到静电卡盘18的上表面与半导体晶片W的背面之间。离子引入用第一高频电源36和第二高频电源38分别经由下部匹配器40、42和下部供电导体44、46与基座16电连接。下部供电导体44、46也可以是共用导体例如供电棒。第一高频电源36构成为对基座16上的半导体晶片W，以可变的功率输出适于引入等离子体的离子的频率较低的例如0. 8MHz的第一高频RFU。另一方面，第二高频电源38 构成为对基座16上的半导体晶片W，以可变的功率输出适于引入等离子体的离子的频率较高的例如13MHz的第二高频Rh。在基座16的上方，与该基座平行相对地设置有上部电极48。该上部电极48包括 具有多个气体喷出孔50a的例如由Si、SiC等半导体材料构成的电极板50 ；和可装卸地支承该电极板50的由导电材料例如表面进行过耐蚀铝处理的铝构成的电极支承体52，通过环形的绝缘体M安装在腔室10的上部。在该上部电极48与基座16之间设置有等离子体生成空间或处理空间PS。环形绝缘体M例如由氧化铝(Al2O3)构成，气密地堵塞上部电极 48的外周面与腔室10的侧壁之间的间隙，非接地且物理地支承上部电极48。电极支承体52构成为其内部具有气体缓冲室56，并且在其下表面具有从气体缓冲室56连通到电极板50的气体喷出孔50a的多个气体通气孔52a。处理气体供给源60经由气体供给管58与气体缓冲室56连接，在气体供给管58设置有质量流量控制器(MFC) 62 和开关阀64。当从处理气体供给源60向气体缓冲室56导入规定的处理气体时，从电极板 50的气体喷出孔50a，朝向基座16上的半导体晶片W，将处理气体喷淋状地喷出到处理空间 PS。这样，上部电极48兼用作向处理空间PS供给处理气体的喷淋头。经由上部匹配器68和上部供电导体例如供电棒70，等离子体激励用的第三高频电源66与上部电极48电连接。第三高频电源66构成为以可变的功率输出适于处理气体的电容耦合的高频放电即等离子体生成的频率例如60MHz的第三高频RiV另外，等离子体生成用的第三高频RFh的频率通常在27MHz 300MHz的范围内选择。形成在基座16以及基座支承台14、与腔室10的侧壁之间的环形空间成为排气空间，在该排气空间的底部设置有腔室10的排气口 72。该排气口 72经由排气管74与排气装置76连接。排气装置76具有涡轮分子泵等真空泵，能够将腔室10的室内、特别是处理空间PS减压到规定的真空度。另外，在腔室10的侧壁安装有开闭半导体晶片W的搬入搬出口 78的门阀80。设置在腔室10的外部的可变直流电源82的一方端子即输出端子，经由开关84和直流供电线85与上部电极48电连接。可变直流电源82例如能够输出-2000 +1000V的直流电压VDC。可变直流电源82的另一方端子接地。可变直流电源82的输出(电压、电流) 的极性、绝对值和开关84的通、断切换，在来自后述的控制部88的指示下，由DC控制器83控制。设置在直流供电线85中途的滤波器电路86构成为将来自可变直流电源82的直流电压VDe贯通(through)地施加于上部电极48，另一方面，使从基座12通过处理空间PS 和上部电极48进入到直流供电线85的高频流向接地线，而不是流向可变直流电源82 — 侧。另外，在腔室10内，在面对处理空间PS的适当位置，安装有例如由Si、SiC等导电性材料构成的DC接地部件(未图示)。该DC接地部件经由接地线(未图示)总是接地。控制部88包括微型计算机，单独或统一地控制该等离子体蚀刻装置内的各部分的动作，例如静电卡盘用的开关对、第一、第二和第三高频电源36、38、66、匹配器40、42、 68、处理气体供给部(60、62、64)、排气装置76、DC偏置用的可变直流电源82和开关84、制冷单元、传热气体供给部等的动作。另外，控制部88还连接有人机接口用的触摸屏(未图示)和存储各种程序、设定值等数据的存储装置(未图示)。另外，在本实施方式中，控制部 88和DC控制器83构成DC偏置控制部。在该等离子体蚀刻装置中，为了进行蚀刻加工，首先使门阀80为打开状态，将加工对象的半导体晶片W搬入到腔室10内，载置在静电卡盘18上。然后，从处理气体供给源60以规定的流量和流量比向腔室10内导入规定的处理气体即蚀刻气体(一般是混合气体)，通过由排气装置76进行真空排气而使腔室10内的压力成为设定值。进而，从第三高频电源66以规定的功率对上部电极46施加等离子体生成用的第三高频RFh(60MHz)。另一方面，从第一和第二高频电源36、38分别以规定的功率对基座(下部电极)16施加离子引入用的第一高频RFu (0.8MHz)和第二高频R (13MHz)。另外，使开关M接通，通过静电吸附力，将传热气体(He气)封闭在静电卡盘18与半导体晶片W之间的接触界面。另外，根据需要，使开关84接通，对上部电极48施加来自可变直流电源82的规定的直流电压VDC。 从喷淋头(上部电极)48排出的蚀刻气体在两电极16、48之间通过高频放电而等离子化， 半导体晶片W的主面的膜被该等离子体所含的自由基或离子蚀刻。本实施方式的等离子体蚀刻装置，为了控制工艺中从等离子体入射到半导体晶片 W的离子的能量，具有从2个高频电源36、38对基座12重叠地施加适于离子引入的2种高频RFu (0. 8MHz)、RFl2 (13MHz)的硬件结构(32 46)，根据蚀刻加工的规格、条件或处理方案，控制部88控制2个高频RFU、RR2的总功率和功率比。[实施方式中的RF偏置功能]在本实施方式的等离子体蚀刻装置中，如上所述，在工艺中从第一高频电源36和第二高频电源38，将离子引入用的第一高频RFu (0.8MHz)和第二高频RFl2 (13MHz)重叠地施加于基座(下部电极)16。于是，在面对等离子体生成空间PS的基座16或半导体晶片 W的表面生成的离子鞘，产生如图2所示的重叠有2个高频RFU、RFl2的负极性的鞘电压 Vs (t)。另外，图2中，表示为了易于了解离子鞘中重叠有2个高频RFU、R&2的状态，使第二高频RFl2的电压(功率)比第一高频RFu的电压(功率)明显小的情况。来自等离子体的离子被这样的鞘电SVs(t)加速，入射到半导体晶片W的表面。这时，入射离子的加速度或能量依赖于这时的鞘电压Vs (t)的瞬时值(绝对值)。即，当鞘电压％(0的瞬时值(绝对值)较大时，进入到离子鞘内的离子以较大的加速度或动能入射到晶片表面，当鞘电压Vs⑴的瞬时值(绝对值)较小时，进入到离子鞘内的离子以较小的加速度或动能入射到晶片表面。当然，在离子鞘内，离子相对于鞘电压Vs(t)以小于等于100% (系数1)的某灵敏度响应(加速运动)。该响应灵敏度或变换函数α (f)如图3所示，依赖于RF偏置所使用的高频的频率f (反比)地变化，用下述式(1)表示。α (f) = 1/{ (CfTi)^lI17p......(1)式中，c = 0. 3X2JI，ρ = 5，τ i = 3s (M/^eVs)，M是离子的质量数，s是离子的鞘通过时间，Vs是鞘电压。从而，有助于离子鞘内的离子加速的有效(实际)鞘电压即离子响应电压VJt)用下述式⑵表示。Vi (t) = α (f)Vs(t)......(2)图2所示的离子响应电压Vi (t)和图3所示的变换函数α (f)是关于Ar+离子的情况，而其他的离子相对于鞘电压Vs (t)和RF偏置的频率也表现出同样的特性。从图2的电压波形可知，离子鞘内的离子相对于频率较低的第一高频 RFu (0.8MHz)以大约100%的灵敏度(α (f) 1)响应(加速运动)，相对于频率较高的第二高频RFl2 (13MHz)，以大约50%的灵敏度(α (f) 0. 5)响应(加速运动)。基于如上所述的离子响应电压Vi (t)，能够根据下述式(3)以图4和图5所示的方法，计算求取离子能量分布IED。IED(Ei) ο-Σ JdViMti)......(3)图4表示RF偏置中使用具有较低频率的单一高频时的IED和离子响应电压 Vi (t)。另一方面，图5表示RF偏置中使用分别具有较低频率和较高频率的2个高频时的 IED和离子响应电压Vi⑴。根据RF偏置中使用单一高频的单频偏置法，如参照图19A 图19C和图20A 图 20C进行的说明那样，离子能量分布(IED)成为定型地在最大能量附近和最小能量附近大量集中离子(出现峰)那样的分布形状，形成了无论RF功率怎样变化，也不能够使最小能量任意可变的制约。与此相对，根据如本实施方式这样的RF偏置中使用2个高频RFu (0. 8MHz)、 RFl2 (13MHz)的双频偏置法，通过调整2个高频RFU、RFl2的总功率和/或功率比，能够独立地控制离子能量分布(IED)的最大能量和最小能量的每一个。S卩，在本实施方式中，如图6A 图6C所示，在将最大能量固定为例如约2000eV的情况下，能够在例如约OeV IOOOeV的范围内任意调节最小能量。另外，如图7A 图7C所示，在将最小能量固定为例如约350eV的情况下，能够在例如约650eV 的范围内任意调节最大能量。另外，图6A 图6C和图7A 图7C中的IED特性，是针对Ar+离子计算出的。即使是其他离子，图案上也能够得到同样的特性。另外，2个高频RFu (0. 8MHz)、RFL2(13MHz) 的电压值是各个频率的偏置电压的振幅值，也能够换算为RF功率。另外，在本实施方式中，如图6B[RFL1 (0. 8MHz) = 340V, RFL2(13MHz) = 1000V]、图 7B[RFu (0.8MHz) = 500V, RFL2(13MHz) = 500V]所示，通过双频的RF偏置，还能够使离子在能带的整个区域大致均勻地分布。进而，如图7C[RFu (0.8MHz) = 1000V, RFl2 (13MHz)= 500V]所示，还能够使中间能量的离子入射数比最小能量和最大能量的离子入射数多。
进而，在本实施方式中，如图8A[RFU(0. 8MHz) = 1500V, RFL2(13MHz) = 0V]、图 8B [RFli (0. 8MHz) = 1125V, RFL2(13MHz) = 375V]、图 8C[RFU (0. 8MHz) = 750V, RFL2(13MHz) =750V]、图 8D [RFli (0. 8MHz) = 375V, RFL2(13MHz) = 1125V]、图 8E [RFli (0. 8MHz) = 0V, RFL2(13MHz) = 1500V]所示，通过双频的RF偏置，还能够在将能量平均值或中心值固定为例如1500V的情况下，在例如约IOOOeV到约3000V的范围内使能带的宽度~任意可变。这样，在本实施方式中，能够在RF偏置中仅使用第一高频RFu (0.8MHz)时的IED 特性(图8A)与RF偏置中仅使用第二高频RR2 (13MHz)时的IED特性(图8E)之间，任意调节能带的宽度~来得到中间的IED特性。另外，即使在中间IED特性中，当第二高频RR2与第一高频RFu的功率比为 1125V 375V = 3 1时所得到的图8B的IED特性，也表现出特征性的凹形分布形状。艮口， 在最小能量及其附近的能量区域(约250eV 约750eV)和最大能量及其附近的能量区域 (约2250eV 约2750eV)，离子带状地集中，在中间的能量区域(约750eV 约2250eV), 均勻(一样)地离子分布数少。该凹形的IED特性，与如使用2个高频RFU、RR2中任一个的情况那样离子尖峰地集中在最小能量和最大能量的U形的IED特性(图8A、图8E)也不同。另外，虽然省略了图示，但即使是在图8D[RFU (0.8MHz) = 375V，RFL2(13MHz)= 1125V]与图 8E[RFU(0. 8MHz) = 0V, RFL2(13MHz) = 1500V]的中间，即，当第二高频 RFl2 与第一高频RFu的功率比为约1 30时，也能够得到与图8B同样的凹形的中间IED特性。这样，本实施方式中，在RF偏置中将频率不同的第一高频RFu和第二高频RR2组合地使用，控制它们的总功率和/或功率比，由此能够针对入射到基座12上的半导体晶片 W的表面的离子的能量分布(IED)，对能带宽度和分布形状、进而入射能量的总量进行各种控制。这里，第一高频RFu和第二高频RR2的频率不限于上述的值(0. 8MHz, 13MHz)，可以在一定的范围内任意选定。如从图8A的IED特性与图8E的IED特性的对比可知那样， 单频偏置中的离子能量分布的宽度(能带) ，频率越低时越宽，频率越高时越窄。这一点如图9所示，与频率和变换函数α (f)的关系相对应。从而，为了扩大能带 Eff的可变范围，虽然也依赖于在蚀刻工艺中起到支配作用的离子的种类(F+、Ar+、C4F6+等)， 但是基本上，将第一高频RFu的频率选定为较低的值(优选IOOkHz 6MHz)，将第二高频 RFl2的频率选定为较高的值(优选6MHz 40MHz)即可。特别是，当第二高频RR2的频率过高时，即超过40MHz时，由于等离子体生成效应增强，不再适合作为RF偏置，因此优选 40MHz以下的频率。[关于工艺的实施例]如上所述，本实施方式的等离子体蚀刻装置与该种的现有装置相比，能够显著提高RF偏置功能的控制性，特别是在各向异性蚀刻中发挥很大的工艺性能。这里，作为能够适于使用本实施方式的等离子体蚀刻装置的蚀刻加工，以图10所示的HARC(High Aspect Ratio Contact)工艺作为例子。HARC工艺是在绝缘膜或氧化膜 (典型而言是SiO2膜)90形成细且深的接触孔(或通孔)92的蚀刻加工技术，在大规模集成电路的制造工艺中的BEOL (Back End Of Line，后端工序)的接触蚀刻(或通孔蚀刻)中使用。
在HARC工艺中，为了形成高深宽比的微细孔92，要求高精度的各向异性形状和相对于掩模94(和基底膜96)的高的选择比。因而，采用如下方法使用碳氟化合物系 (fluorocarbon)的气体作为腐蚀(蚀刻)气体，通过CFx自由基，在掩模94和SiO2模90 的孔92的侧壁98，作为侧壁保护膜堆积聚合膜，并且通过RF偏置，将CFx+或Ar+等的离子垂直引入到SW2膜90的孔92中进行垂直蚀刻。这种情况下，由于化学的活度高的F自由基使各向异性和选择性两方面降低，因此广泛使用F自由基生成少且C/F比大的C4F8、C5F8、 C4F6等气体。在这样的HARC工艺中，为了提高SiO2膜的蚀刻速度，需要(1)增加离子入射量， (2)增加自由基中的F总量，以及(3)充分的离子能量。因而，采用如下方法针对上述(1) 的要求条件，[1]调整等离子体生成用高频的功率，针对上述(2)的要求条件，[2]调整碳氟化合物气体(例如C4F8)的流量，针对上述(3)的要求条件，[3]调整离子引入用高频的功率。另外，为了提高3丨02膜90相对于掩模94(和基底膜96)的选择比，需要⑷适当的仏/CA流量比和(5)增加Ar稀释的总气体流量。因而，采用针对上述⑷的要求条件， [4]调整O2气流量，针对上述(5)的要求条件，[5]调整Ar气体流量的方法。另外，关于选择比的上述⑷、(5)的要求条件，基于下述的蚀刻机理。S卩，在蚀刻中的稳定状态下总是对S^2膜的表面照射碳氟化合物自由基，因此在其表面上存在数分子层的CF膜。该CF膜的厚度与蚀刻速度存在密切的关系。图IlA和图IlB表示在使用C4F8/ArA)2的混合气体作为蚀刻气体的情况下，使Ar 气体和O2气的流量固定，并使C4F8气体的流量变化时SiA膜和SiN膜各自的蚀刻速度和在它们的膜表面分别堆积的CF聚合膜的厚度。如图IlA所示，在SiO2的蚀刻中，当提高C4F8流量时，蚀刻速度(E/R)增大到 llsccm,在1 Isccm表现出极大值之后，与CF膜厚的增加成反比地减少，在22sCCm以上成为水平。这里，C4F8流量为Ilsccm时的SW2上的CF膜厚薄到lnm，不过，这是因为在SW2蚀刻时所释放的氧与CF膜发生反应，从而生成挥发性的物质(即去除CF膜)。另一方面，如图IlB所示，在SiN的蚀刻中，不释放氧，而代之释放氮，但是由于其 CF膜除去能力与氧相比格外小，因此SiN上的CF膜厚达到5nm，蚀刻被抑制。另外，在SiA蚀刻和SiN蚀刻的任一蚀刻中，添加气体的A都具有调节CF膜除去速率的功能。在如上所述的HARC工艺中，SiN被用于基底膜96，一般使用有机膜作为掩模94。 有机膜针对在如上所述的条件下使C4F8气体的流量变化时的蚀刻速度和CF膜厚，也表现出与SiN同样的特性。这样，利用基于蚀刻时有无释放氧或释放量差异的CF膜厚度的差异和蚀刻速度的差异，通过[4]调整02/C4F8流量比，以及[5]通过Ar稀释(增加总气体流量)来减少使选择比恶化的F原子自由基，能够充分提高SiO2膜相对于基底膜96的SiN、掩模96的有机膜(有时也包括上层的光致抗蚀剂)的选择比。如上所述，在一般的等离子体蚀刻装置中，通过运用针对[1]等离子体生成用高频的功率、[2]碳氟化合物气体(例如C4F8)的流量、[3]离子引入用高频的功率、[4]A/C4F8 流量比(特别是O2流量)、[5]Ar流量的各调整技术，在HARC工艺中也能够实现高蚀刻速
1度和高选择比。但是，在HARC工艺中，由于需要非常高的选择比，因此必须使用堆积性非常强的条件，其结果是，使用附着率高的自由基。这种情况下，如图12(b)所示，侧壁98上的堆积膜100的被覆性(有效范围)恶化，孔92的入口附近变窄，易于发生缩颈102。当发生缩颈102时，对孔92的底部的自由基或离子的供给变得不充分，由此，导致孔底⑶(Critical Dimension，临界尺寸)缩小，垂直切削孔底的蚀刻率降低。另外，也存在入射离子在缩颈102的上方被反射，在缩颈102的下方发生侧壁98的塌心(弯曲(bowling))。这样，为了得到高选择比，虽然需要使用附着率高的自由基(CxFy自由基)，但是由此易于产生缩颈102。于是，为了避免缩颈102而使用附着率低的自由基时，如图12(a)所示，掩模94上的堆积膜100变得过薄，不能得到充分的选择比。如上所述，HARC工艺中，在总括(blanket)特性(蚀刻速度、选择比)与蚀刻形状之间存在折衷的关系，在离子引入用途中使用单一频率的高频的现有RF偏置技术下不能够解决该折衷的问题。图13(a)表示在HARC工艺中使用附着率高的自由基时氧化膜(SiO2)和有机膜相对于入射离子的能量的蚀刻效率的特性。如上所述，当使用附着率高的自由基时，在低离子能量区域中用堆积膜保护掩模(有机膜)的表面，仅选择性地蚀刻氧化膜。而且，当离子能量超过某个阈值民之后，则通过离子照射进行的物理蚀刻超出堆积膜的保护，掩模(有机膜)被切削。当然，由于入射离子的能量增大，氧化膜的蚀刻效率也单调增大。如果从提高选择比的观点出发，优选离子集中分布在阈值民附近的能量区域那样的离子能量分布特性。然而，当如现有方式(单频偏置法)那样在单频的RF偏置下相对应时，如图13(b)所示，离子能量分布完全收敛于比阈值民低的区域。这种情况下，集中在最小能量附近的离子对氧化膜的蚀刻几乎没有贡献。于是，即使通过集中在最大能量附近的离子的作用而得到高的选择比，也不能够避免或抑制上述的缩颈100。本发明人在如图15所示的HARC工艺的模型中，对在相对于有机膜表面的法线N 入射角θ为0°的部位(掩模上表面)和入射角θ为80°的部位(缩颈斜面104)，蚀刻效率相对于离子能量的特性进行了比较，结果判明如下。即，如图14(a)所示，掩模上表面 (Θ =0° )与缩颈部位(Θ =80° )相比，蚀刻效率的上升快，但是当入射离子的能量大于规定值Es时，两者的关系反转，缩颈斜面104( θ =80° )比掩模上表面(θ =0° )更易于被蚀刻。即，通过离子照射，虽然掩模上表面也被削除，但是缩颈斜面102比其更高效地被削除，能够得到缩颈CD扩大这样的改善效果。鉴于上述HARC工艺中的氧化膜和有机膜(掩模)的蚀刻效率/离子能量特性，如图14(b)所示，可知跨越在上述阈值民附近比其低的第一能量区域和在上述规定值Es附近比其高的第二能量区域，两极化了的凹形的IED特性是适合的。S卩，通过离子集中分布在上述第一能量区域，选择比变高，通过离子集中分布在上述第二能量区域，能够有效地避免或抑制缩颈102。另外，上述第一能量区域与上述第二能量区域之间的能量区域，从提高选择比和抑制缩颈的任意观点出发都是不期望的区域，分布在该中间区域的离子少这一点是有利的。本发明人在如上所述的HARC工艺的实验中使用实施方式的等离子体蚀刻装置，改变第一高频RFu (0. 8MHz)和第二高频RR2 (13MHz)的功率比，对蚀刻特性进行了比较，得到了如图16和图17所示的结果。主要的蚀刻条件如下所述。晶片口径300謹蚀刻气体=C4F6A= 60/200/60sccm腔室内的压力=2OmTorr温度上部电极/腔室侧壁/下部电极=60/60/20 0C高频电力等离子体生成用高频(60MHz) = IOOOff离子引入用高频(13MHz/0. 8MHz) = 4500/0W.4000/500W、3000/1500W、2000/2500W、1000/3500W、0/4500W(6 种)直流电压Vdc=-300V蚀刻时间2分钟在该实验中，将离子引入用第一高频RFu (0. 8MHz)和第二高频RR2 (13MHz)的总功率固定为一定值(4500W)，以功率比为参数，选择了从4500/0W到0/4500W的6个阶段。在HARC工艺中，优选的蚀刻特性是膜的蚀刻速度大，掩模选择比大，缩颈CD 与弯曲CD之差小，掩模侧壁倾斜角大。如果从这样的观点进行评价，则可知将第一高频RFu 和第二高频Rh2的功率选择为RFu = 1000W，RFl2 = 3500W时的蚀刻特性表示出综合性最佳的结果。这种情况下，2个高频RFU、R&的功率比是RR2 RFu = 3. 5 1，虽然省略了图示，但是能够得到与图8B同样的凹形的IED特性。如上所述，根据本发明的双频偏置法，能够巧妙地解决HARC工艺中的折衷。除此以外，根据本发明的双频偏置法，还能够与上述同样地解决开孔蚀刻加工中的选择比与顶部CD/弯曲CD/底部CD的折衷、等离子体CVD中的成长速度与无缝形状的折衷等。另外，对于如上所述的HARC工艺，通过本发明的双频偏置法所得到的凹形的IED 特性有效地发挥作用。然而，通过本发明的双频偏置法所得到的平坦(flat)形的IED特性 (图6B、图7B、图8C)或山形的IED特性(图7C)也是通过现有单频偏置法不能够得到的独特的特性，具有能够使某规定的工艺特性最优化的可能性。[实施方式中的DC偏置功能]本实施方式的等离子体蚀刻装置，根据需要接通开关84，对上部电极48施加来自可变直流电源82的直流电压Vdco这样，通过对上部电极34施加适当的直流电压VDC，特别是负极性且适当大小(绝对值)的直流电压VD。，能够强化在等离子体蚀刻的掩模中使用的光致抗蚀剂膜(特别是ArF抗蚀剂膜)的耐蚀刻性。S卩，当从可变直流电源82对上部电极48以负极性的高压(优选与通过施加第三高频RFh在上部电极48产生的自偏压相比绝对值更大的负极性的电压)施加直流电压Vdc 时，在上部电极48与等离子体之间形成的上部离子鞘增厚。由此，等离子体中的离子被上部离子鞘的电场加速，增加与上部电极48的电极板50碰撞时的离子碰撞(冲击)能量，通过Y放电从电极板50释放出的二次电子增多。而且，从电极板50释放出的二次电子由上部离子鞘的电场向着与离子相反的方向加速，穿过等离子体冊，进而横跨(横切)下部离子鞘，以规定的高能量射进(打入)基座16上的半导体晶片W表面的抗蚀剂掩模。这样， 当抗蚀剂掩模的高分子吸收电子的能量时，产生组成变化、构造变化、架桥反应等，形成改质层，增强了耐蚀刻性(耐等离子体性)。随着施加于上部电极48的负极性的直流电压Vdc 的绝对值增大，射进抗蚀剂掩模的电子的能量增加，抗蚀剂掩模的耐等离子体性增强的效果增大。另一方面，在本实施方式的等离子体蚀刻装置中，如上所述，对于基座16—侧的 RF偏置组合使用频率不同的第一高频RFu和第二高频RFm控制它们的总功率和/或功率比，由此关于入射到基座16上的半导体晶片W表面的离子的能量分布(IED)，能够对能带宽度和分布形状、进而入射能量的总量进行各种控制。特别是，当将第一高频RFu和第二高频RR2各自的功率选择为有意(非偶然)的值进行组合时，在能量分布(IED)中，中间能量的离子入射数急速增加，入射能量的总量增大。然而，当入射能量的总量多时，抗蚀剂掩模受到损伤，其表面粗糙，或易于带来所谓的LER(Line Edge Roughness，线边缘粗糙)、 LffR(Line Width Roughness，线宽粗糙)等凹形变形或曲折变形。因此，在本实施方式中，在控制部88中，根据第一高频RFu和第二高频RR2的总功率和功率比的设定值，推算出入射能量的总量(可以粗略计算)，当入射能量的总量多时， 通过DC控制器83，增大施加于上部电极48的负极性的直流电压Vdc的绝对值，强化抗蚀剂掩模的耐蚀刻性。然而，当入射能量的总量少时，不仅缺乏强化抗蚀剂掩模的耐蚀刻性的必要性，而且根据下面的理由，优选将施加于上部电极48的负极性的直流电压Vdc的绝对值控制得较小。S卩，在本实施方式的等离子体蚀刻装置中，通过蚀刻气体的高频放电，氟碳气体 CxFy离解，生成F原子或CF3等的反应种。这些反应种与半导体晶片W表面的被加工膜发生反应，生成挥发性的生成物(例如SiF4)的同时，也生成作为沉积物的聚合膜(例如(CF2) η)。上部电极48的电极板50是含Si导电材料的情况下，不仅半导体晶片W表面，而且电极板50的表面也发生同样的反应，双方消耗反应种。这里，当对上部电极48施加负极性 (SOV)的直流电压Vdc时，离子辅助效应发挥作用，促进电极板50表面的蚀刻反应(即反应种的消耗)，富含C的CFx大量产生，在半导体晶片W表面蚀刻率降低，沉积加强。随着负极性直流电压VD。的绝对值增大，电极板50表面的离子辅助效应增大，基于上述作用的半导体晶片W表面上的蚀刻率的减速和沉积的增速加强。这一点在入射到基座16上的半导体晶片W的表面的离子的能量总量少的情况下是不希望的。从而，在这种情况下，控制部88 通过DC控制器83，将施加于上部电极48的负极性的直流电压Vdc的绝对值控制得较小。[其他实施方式或变形例]在上述的实施方式中，对上部电极48施加从第三高频电源66输出的等离子体生成用的第三高频RiV作为其他实施方式，如图18所示，也可以将基座(下部电极)16与第三高频电源66和匹配器68电连接，对基座16施加等离子体生成用的第三高频RiV上述实施方式涉及在腔室内通过平行平板电极间的高频放电生成等离子体的电容耦合型等离子体处理装置。然而，本发明也能够适用于在腔室的上表面或周围配置天线， 在高频感应电磁场下生成等离子体的感应耦合型等离子体处理装置，或使用微波的功率生成等离子体的微波等离子体处理装置等。本发明不限于等离子体蚀刻装置，还能够适用于等离子体CVD、等离子体氧化、等离子体氮化、溅射等其他等离子体处理装置。另外，本发明中的被处理基板不限于半导体晶片，也能够是平板显示器、EL元件或太阳能电池用的各种基板、光掩模、CD基板、印刷基板寸。附图标记的说明10腔室16基座(下部电极)36第一高频电源38第二高频电源48上部电极60处理气体供给源76排气装置82可变直流电源88控制部。
权利要求
1.一种等离子体处理方法，其特征在于，包括在配置于能够进行真空排气的处理容器内的第一电极上载置被处理基板的工序； 在所述处理容器内激励处理气体来生成等离子体的工序；对所述第一电极重叠地施加频率不同的第一高频和第二高频，以从所述等离子体向所述基板引入离子的工序；和在所述等离子体下对所述基板实施所期望的等离子体处理的工序， 在所述等离子体处理中，控制所述第一高频和第二高频的总功率和功率比，使得依赖于被引入到所述基板的离子的能量的规定的工艺特性最优化。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理方法，其特征在于控制所述第一高频和第二高频的总功率和功率比，使得依赖于被引入到所述基板的离子的能量的多个工艺特性同时最优化。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体处理方法，其特征在于对被引入到所述基板的离子的能量分布的最小能量和最大能量独立地进行控制。
4.根据权利要求3所述的等离子体处理方法，其特征在于在被引入到所述基板的离子的能量分布中，最小能量及其附近的能量区域支配性地控制第一工艺特性，最大能量及其附近的能量区域支配性地控制第二工艺特性。
5.根据权利要求4所述的等离子体处理方法，其特征在于在被引入到所述基板的离子的能量分布中，在最小能量及其附近的能量区域和最大能量及其附近的能量区域分布相对多的离子，在中间的能量区域分布的离子相对少。
6.根据权利要求3所述的等离子体处理方法，其特征在于在被引入到所述基板的离子的能量分布中，离子在从最小能量到最大能量的整个区域大致均勻地分布。
7.根据权利要求6所述的等离子体处理方法，其特征在于所述第一高频的频率在IOOkHz 6MHz的范围内，所述第二高频的频率在6MHz 40MHz的范围内。
8.根据权利要求7所述的等离子体处理方法，其特征在于调整所述第一高频和第二高频的总功率，以调节被引入到所述基板的离子的能量分布的宽度。
9.根据权利要求8所述的等离子体处理方法，其特征在于调整所述第一高频的功率与所述第二高频的功率之比，以调节被引入到所述基板的离子的能量分布的宽度。
10.根据权利要求9所述的等离子体处理方法，其特征在于调整所述第二高频的功率，以控制被引入到所述基板的离子的最小能量。
11.根据权利要求10所述的等离子体处理方法，其特征在于调整所述第一高频和第二高频的总功率，以控制被引入到所述基板的离子的最大能量。
12.根据权利要求11所述的等离子体处理方法，其特征在于在所述处理容器内，设置有与所述第一电极隔开规定间隔地平行相对的第二电极，对所述第一电极或所述第二电极施加用于使所述处理气体放电的第三高频。
13.根据权利要求12所述的等离子体处理方法，其特征在于 所述第三高频的频率在27MHz 300MHz的范围内。
14.根据权利要求4 13中任一项所述的等离子体处理方法，其特征在于对所述第二电极施加负极性的直流电压，根据所述第一高频和第二高频的总功率和功率比，控制所述直流电压的绝对值。
15.根据权利要求14所述的等离子体处理方法，其特征在于根据所述第一高频和第二高频的总功率和功率比，求取被引入到所述基板的离子的能量总量，所述能量总量越多，使所述直流电压的绝对值越大，所述能量总量越少，使所述直流电压的绝对值越小。
16.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括将被处理基板能够搬出搬入地收容的能够进行真空排气的处理容器； 向所述处理容器内供给所期望的处理气体的处理气体供给部； 在所述处理容器内生成所述处理气体的等离子体的等离子体生成部； 在所述处理容器内载置并保持所述基板的第一电极；对所述第一电极施加具有第一频率的第一高频，以从所述等离子体向所述第一电极上的所述基板引入离子的第一高频供电部；对所述第一电极施加具有比所述第一频率高的第二频率的第二高频，以从所述等离子体向所述第一电极上的所述基板引入离子的第二高频供电部；和控制所述第一高频和第二高频的总功率和功率比，使得依赖于从所述等离子体被引入到所述基板的离子的能量的至少一个工艺特性最优化。
17.根据权利要求16所述的等离子体处理装置，其特征在于所述第一高频的频率在IOOkHz 6MHz的范围内，所述第二高频的频率在6MHz 40MHz的范围内。
18.根据权利要求16或17所述的等离子体处理装置，其特征在于 所述等离子体生成部包括在所述处理容器内与所述第一电极隔开规定间隔地平行相对的第二电极； 对所述第一电极或所述第二电极施加具有比所述第二频率高的第三频率的第三高频以使所述处理气体放电的第三高频供电部。
19.根据权利要求18所述的等离子体处理装置，其特征在于 所述第三高频的频率在27MHz 300MHz的范围内。
20.根据权利要求19所述的等离子体处理装置，其特征在于，包括 用于对所述第二电极施加负极性的直流电压的可变直流电源；和根据所述第一高频和第二高频的总功率和功率比，控制所述直流电压的绝对值的DC 偏置控制部。
21.根据权利要求19所述的等离子体处理装置，其特征在于 所述DC偏置控制部包括运算部，其根据所述第一高频和第二高频的总功率和功率比，求取被引入到所述基板的离子的能量总量；和控制器，该控制器使得所述能量总量越多，所述直流电压的绝对值越大，所述能量总量越少，所述直流电压的绝对值越小。
全文摘要
本发明提供一种等离子体处理方法和等离子体处理装置，能够提高RF偏置功能的控制性，针对微细加工的各种要求条件实现等离子体工艺的最优化。该等离子体处理装置中，从第三高频电源(66)对上部电极(46)(或下部电极(12))施加适于电容耦合的等离子体生成的高频(RFH)，并且为了控制从等离子体入射到半导体晶片(W)的离子的能量，从第一和第二高频电源(36)、(38)对基座(12)重叠地施加适于离子引入的2种高频(RFL1(0.8MHz))、(RFL2(13MHz))。根据工艺的规格、条件或处理方案，控制部88控制2个高频(RFL1)、(RFL2)的总功率和功率比。
文档编号H01L21/3065GK102376559SQ201110249639
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月23日 优先权日2010年8月23日
发明者大矢欣伸, 安田吉纪, 田边明良 申请人:东京毅力科创株式会社