等离子处理装置的制作方法

本发明涉及与半导体制造相关的利用等离子的等离子处理装置。

背景技术：

近年来，器件的高集成化得到推进，要求原子层级别的加工技术。器件结构的复杂化、器件结构的微细化以及器件结构的高纵横比化逐年推进，因而高纵横比结构的疏部与密部的cd尺寸控制和深度控制成为关键的技术。

过去，为了控制疏密差而在蚀刻腔内生成等离子，并进行蚀刻和沉积膜的调整，但高纵横比的图案下的被覆性(stepcoverage)变差的课题不断明显化。对于该课题，研讨使用能实现被覆性良好的成膜的原子层沉积(atomiclayerdeposition：ald，以下称作ald)。

成为原料的前体气体根据设为目标的膜物质的不同而不同，能够以相当于原子的单位将前体气体同载气一起周期性地供给到成膜基板表面，使它们物理吸附在基板表面，从而成膜一层原子的量的膜。已知这是在高纵横比结构中也能均匀地进行高精度的膜厚控制的有效手段之一。

ald中所用的前体气体例如使用bdeas，由于作为性质来说接近于氨，因此需要避免与助燃性气体混合。因此，在具备能实现均匀的成膜的ald机构的真空处理装置中，需要具备具有立足于安全性的气体阀的硬联锁(hardinterlock)的气体供给单元。

例如，作为关于原子层沉积(ald)的现有技术，在专利文献1中公开了一种用于改善膜均匀性的原子沉积法(ald)蒸镀循环中的前体的均匀的进料方法。另外，关于气体阀的联锁，在专利文献2中公开了一种具备气体供给单元的真空处理装置，其中，该气体供给单元具有一对气体阀的硬联锁。进而，在专利文献3中公开了一种能均匀地处理配置在处理室内的样品台上的样品的真空处理装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：jp特开2016-145412号公报

专利文献2：wo2016/121075号公报

专利文献3：jp特开2008-124190号公报

为了实施原子层沉积(ald)工艺，要求将反应性高且燃烧性高的前体气体安全地供给到真空容器内的气体供给系统的结构/硬联锁。

原子层沉积(ald)工艺通过将前体气体(吸附原料)供给到真空处理装置内，从而在样品基板以及真空处理装置内形成物理吸附的分子层。该分子层即使实施了利用惰性气体等的排气工艺，也会残留一层具有最强的物理吸附力(范德瓦尔斯力)的层。因此，吸附于真空处理室内的分子层在原子层沉积(ald)工艺后的工艺处理时有可能发生反应而产生异物。

图6示出向等离子处理装置供给前体气体的方法。在该向等离子处理装置供给前体气体的方法中，前体气体通过喷淋板等具备贯通孔的板而被供给到处理室内。但是，有可能会因通过喷淋板的贯通孔而在贯通孔中产生异物。该异物会落下到位于喷淋板的贯通孔的延长线上的样品基板而使其产生缺陷，由此有可能因样品基板的蚀刻处理的成品率降低而不能实施稳定的生产。

另外，由于前体气体和处理气体在气体供给配管内混合，因而生成物会粘着在气体配管内，有可能会出现气体供给配管内被堵塞等安全性上的问题。通常，为了避免错误或故意输入的危险操作而安装基于软件的联锁功能。但是，在多数情况下，软联锁(softinterlock)作为错误防止功能并不充分，因此除了电气联锁(软联锁)以外，还进一步要求另一个其他措施。

因此，需要安装对不可同时流过的一对气体的阀使用两重的硬联锁来防止混合的功能。因而，在各个气体的阀的开闭动作中，谋求使用电气的继电器回路等按照压力信号或事前研讨的回路来控制不同的阀间的相互的开闭动作，以使得不会发生气体的异常反应、泄漏、气体源的污染(与其他气体混合)等。

技术实现要素：

考虑上述课题，本发明提供一种能将处理气体和前体气体稳定地供给到处理室的等离子处理装置。

本发明的等离子处理装置具备：处理室，对样品进行等离子处理；高频电源，供给用于生成等离子的高频电力；样品台，载置所述样品；和气体供给部，对所述处理室供给气体，所述等离子处理装置的特征在于，所述气体供给部具备：第一配管，将作为蚀刻处理用气体的第一气体供给到所述处理室；第二配管，将作为蚀刻处理用气体的第二气体供给到所述处理室；和第三配管，流过作为沉积处理用气体的第三气体并与所述第二配管连接，所述第二配管配置有防止所述第三气体流向所述第二气体的供给源的方向的第四阀。

发明效果

根据本发明，能将处理气体和前体气体稳定地供给到处理室。

附图说明

图1是本发明所涉及的等离子处理装置的概略截面图。

图2是本发明所涉及的空气驱动用空气的空气回路的概略图。

图3是表示ald处理的流程的图。

图4是表示ald处理时的本发明所涉及的气体供给部的动作的图。

图5是表示ald处理时的本发明所涉及的气体供给部的动作的图。

图6是表示气体供给机构的概略图。

图7是表示气体供给机构的概略图。

图8是空气驱动用空气的空气回路的概略图。

图9是空气驱动用空气的空气回路的概略图。

附图标记说明

101电磁波供给部

102电磁线圈

103电介质窗

104喷淋板

105真空容器

106第1气体供给部

107第2气体供给部

108半导体晶片

109平台

110真空排气部

111匹配器

112高频电源

113真空处理室

114贯通孔

115第1气体流

116第2气体流

117控制装置

118高频电源

201处理气体供给系统

202前体气体供给系统

203喷淋板

204真空容器

205贯通孔

具体实施方式

本实施例所涉及的等离子处理装置为了在配置于真空容器内部的处理室内生成等离子，而使用微波的电场作为供给到该处理室内的电场来激发供给到处理室内的处理用气体的原子或分子等粒子，将其等离子化。然后，对预先形成在配置于处理室内的半导体晶片等基板状的样品上表面的包含掩模和处理对象的膜层的膜结构进行蚀刻。

特别是有所谓的微波ecr型的等离子蚀刻处理装置，在这样的微波ecr型的等离子蚀刻处理装置中，同电场一起在处理室内形成磁场，在这些电场与磁场之间通过特定的谐振即电子回旋共振(electroncyclotronresonance：ecr)来使电场和磁场相互作用而生成等离子。

说明图1所示的等离子处理装置的结构，该等离子处理装置具备：真空容器105，其能减压，且在内部的处理室即真空处理室113对半导体晶片108进行等离子处理；第1气体供给部106，其与真空容器105连接，且对真空容器105内供给用于生成等离子的第1气体；第2气体供给部107，其对真空容器105内供给第2气体；和平台109，其是载置样品即半导体晶片108的样品台。

进而，该等离子处理装置具备：电磁波供给部101，其供给用于生成等离子的电磁波；和高频电源112，其与平台109连接，为了调整入射到晶片108的离子能量而经由匹配器111供给高频电力。另外，电磁波供给部101具备将高频电力供给到真空处理室113的高频电源118。另外，在该等离子处理装置设置真空排气部110，该真空排气部110对真空容器105的真空处理室113内进行排气来将真空容器105内减压。

在此，供给到真空处理室113的等离子生成用的第1气体经由气体供给线路g1从第1气体供给部106经过喷淋板104来供给。另外，图1的箭头115表示第1气体的气体流。另外，通过使用喷淋板104，等离子的分布以及流量分布的面内均匀性得以提升，被加工样品中的中心和最外周的蚀刻速度以及沉积速度变得均匀。

同样地，供给到真空处理室113的等离子生成用的第2气体经由气体供给线路g3从第2气体供给部107供给。另外，图1的箭头116表示第2气体的气体流。第1以及第2气体的种类和组成根据形成在晶片108上的被处理材料的种类和目标的加工形状而不同。

真空处理室113内的压力由真空排气部110调整。另外，对真空排气部110例如使用在干式泵或涡轮分子泵连接压力控制用阀的结构。真空处理室113内的压力能通过控制压力控制用阀的开度而控制成适于等离子的所期望的压力值。为了提升各向异性来使离子入射到晶片108，在蚀刻处理中一般使用0.1～100pa左右的压力。

另外，用于生成等离子的电磁波从电磁波供给部101供给，经过由透过电磁波的材料形成的电介质窗103而被供给到真空处理室113。例如，电磁波是2.45ghz的频率的微波，电介质窗103由石英那样的透过微波的材料构成。并且，电磁线圈102使真空处理室113内形成电子回旋共振所需的磁场。例如，在2.45ghz的微波下，电子回旋共振所需的磁通密度是875g。在此，磁场形成机构包括磁场线圈102。

在该电子回旋共振所需的磁场的附近，微波可将电子高效地加速而得到高能量的电子。然后，该高能量的电子将蚀刻气体的分子高效地电离，由此高效地生成等离子。另外，通过等离子而生成的带电粒子在被由电磁线圈102形成的磁场的磁力线束缚的同时被输送。因此，例如能通过控制由电磁线圈102形成的磁场来控制向晶片108上的离子通量分布。

接下来，使用图1来说明等离子处理装置的气体供给部中的气体供给线路以及阀结构/控制系统。

处理气体供给系统201具有气体供给线路g1和g3，从气体供给线路g1供给的气体经过喷淋板104的贯通孔114被供给到真空容器105。另外，从气体供给线路g3供给的气体从不经过喷淋板104的贯通孔114的位置供给到真空容器105。气体供给线路g1具有阀v1，气体供给线路g3具有阀v3和阀v4。

该阀v1以及v3是常闭型空气驱动式阀，阀v4是常开型空气驱动式阀。另外，阀v3配置在比阀v4更远离真空容器105的位置。在本实施例中，对阀v4使用常开型空气驱动式阀，在对阀v4使用常闭型空气驱动阀的情况下，有可能处理气体和前体气体会混合。据此，为了降低处理气体和前体气体混合的潜在可能，必须对阀v4使用常开型空气驱动式阀。

接下来，前体气体供给系统202具有气体供给线路g2，该气体供给线路g2具有阀v2。该阀v2是常闭型空气驱动式阀。另外，该气体供给线路g2与气体供给线路g3连接，且连接到阀v4与第2气体供给部107之间的配管。另外，本发明所涉及的等离子处理装置的“气体供给部”具备处理气体供给系统201和前体气体供给系统202。接下来，使用图2来说明上述的各阀间的硬联锁。

如图2所示那样，阀v2的空气驱动用的空气经由先导阀p2被三位置弹簧复位中央排气型五端口电磁阀12控制。该电磁阀具有螺线管线圈用激发元件s2和s3，螺线管线圈用激发元件s2或螺线管线圈用激发元件s3中的任一者被激发。例如，在螺线管线圈用激发元件s2被激发的情况下，v2经由先导阀p2打开，在螺线管线圈用激发元件s3被激发的情况下，v3打开。因此，仅必定被激发的一侧的螺线管线圈用激发元件形成空气信号，从而能防止阀v2和阀v3这两者同时打开。

另外，先导阀p2是空气信号形成用先导阀，且被由先导阀p11形成并由先导空气信号线路21发送的信号控制。另外，v3的空气驱动用的空气被三位置弹簧复位中央排气型五端口电磁阀12控制。

另外，阀v1以及阀v4的空气驱动用的空气分别被两位置弹簧复位型电磁阀11、13控制。在该电磁阀中，通过各个螺线管线圈用激发元件被激发，从而各个阀打开。按照对螺线管线圈用激发元件s1以及s4进行激发的信号来产生用于使阀v1以及阀v4分别打开的空气。进而，先导阀p11被对阀v4的空气驱动用空气进行控制的两位置弹簧复位型电磁阀13控制。

该先导阀p11是空气信号形成用先导阀，形成先导空气信号线路21。根据由先导空气信号线路21送来的信号而由空气源32取入空气，将该取入的空气供给到先导阀p2，从先导阀p2对阀v2供给空气。另外，从空气源32供给的空气在对各个阀进行驱动后从空气排出线路31排出。接下来，说明供给前体气体或处理气体的情况下的各阀的动作。

在图2所示的空气回路中供给前体气体的情况下，若螺线管线圈用激发元件s4被激发，则阀v4闭合，同时通过先导阀p11而形成先导空气信号线路21。因此，先导阀p2被驱动，从而先导阀内部变得能通过。若螺线管线圈用激发元件s2被激发，则阀v2打开，供给前体气体。这时，为了防止向喷淋板去的前体气体，而将螺线管线圈用激发元件s1激发，使阀v1打开，从而供给惰性气体。

接下来，在图2所示的空气回路中供给处理气体的情况下，若螺线管线圈用激发元件s1以及s3被激发，则阀v1以及v3打开，处理气体被供给到真空容器105。另外，由于螺线管线圈用激发元件s2未被激发，因此阀v4打开。在该情况下，即使三位置弹簧复位中央排气型五端口电磁阀12误工作或产生故障而将螺线管线圈用激发元件s2激发，也由于先导阀p2不被驱动从而阀v2不会打开，因此前体气体不会与处理气体混合。接下来，说明阀v4的必要性。

使用图8来说明图1中不存在常开型空气驱动的阀v4的情况下的硬联锁。如图8所示那样，由三位置弹簧复位中央排气型五端口电磁阀12控制阀v2以及v3的空气驱动用空气。另外，由两位置弹簧复位型电磁阀11控制阀v1的空气驱动用空气。在图8所示那样的空气回路的情况下，阀v2以及v3仅通过螺线管线圈用激发元件s2和s3必定被激发的一侧形成空气信号。

在这样的空气回路中，在使阀v1打开而供给惰性气体以外的处理气体的情况下，有可能会因误工作或故障而将螺线管线圈用激发元件s2激发，使阀v2打开，从而供给前体气体，由此处理气体和前体气体在等离子处理装置内混合并发生反应，从而产生异物，使等离子处理装置产生故障。

因此，将常开型空气驱动的阀v4配置在气体供给线路g3并运用图2所示的硬联锁，由此能形成两重的硬联锁，从而能提升安全性能。接下来，说明阀v4是常开型空气驱动式阀的必要性。

使用图9来说明对阀v4使用常闭型空气驱动式阀的情况下的硬联锁的结构。另外，在图9中，用阀v5代替阀v4来进行说明。如图9所示那样，阀v1的空气驱动用空气经由先导阀p1被两位置弹簧复位型电磁阀11控制。另外，先导阀p1被由从先导阀p3起的先导空气信号线路21发送的信号控制。阀v2被三位置弹簧复位中央排气型五端口电磁阀12控制。

另外，阀v3的空气驱动用空气经由先导阀p3被三位置弹簧复位中央排气型五端口电磁阀12控制。先导阀p3经由先导阀11被从空气源32供给空气。作为常闭型空气驱动式阀的阀v5的空气驱动用空气被两位置弹簧复位型电磁阀13控制。另外，先导阀p11被两位置弹簧复位型电磁阀13控制。

在这样的图9所示的空气回路中，与图8的情况同样，在使阀v1打开而供给惰性气体以外的处理气体的情况下，不可使阀v2打开而供给前体气体，但有可能因误工作或故障将螺线管线圈用激发元件s2激发而使阀v2打开，从而供给前体气体，由此处理气体和前体发生反应而使等离子处理装置产生故障。

接下来，使用图3来说明ald处理的概略。图3(a)是供给前体(吸附原料)的吸附原料步骤，图3(b)是将前体排气的清除步骤，图3(c)是供给反应原料并使用等离子使吸附原料和反应原料发生反应的反应步骤，图3(d)是将反应原料排气的清除步骤。ald处理在直到得到所期望的膜厚为止都依次重复进行图3(a)～(d)的各步骤。以下，使用图4来说明进行这样的ald处理的情况下的气体供给部的动作。

如图4(a)所示那样，在吸附原料步骤(图3(a))中，为了从前体气体供给系统202供给作为沉积处理用气体的前体气体，而通过空气控制使阀v2打开，同时通过空气控制使阀v4闭合。阀v3由于阀v2打开而闭合。另外，为了防止前体气体向喷淋板104倒流，而通过空气控制使阀v1打开，从气体供给系统201供给ar气体。在此，也可以用he气体、kr气体、xe气体等惰性气体取代ar气体。另外，前体气体是btbas{化学名：bis-tertiarybutylaminosilane、化学式：sih2[nhc(ch3)3]2}气体、bdeas{化学名：bis(diethylamido)silane、化学式：h2si[n(c2h5)2]2}气体、sicl4气体等。

接下来，如图4(b)所示那样，在清除步骤(图3(b))中，为了将前体气体从真空容器105排气，而使阀v1打开，使阀v2打开，使阀v4闭合，从处理气体供给系统201以及前体气体供给系统202供给ar气体。阀v3由于阀v2打开而闭合。在此，可以用he气体、kr气体、xe气体等惰性气体取代ar气体。

接下来，如图4(c)所示那样，在反应步骤(图3(c))中，通过空气控制使阀v2闭合，同时通过空气控制使阀v4打开。阀v3由于阀v2闭合而打开。使阀v1打开而从处理气体供给系统201供给反应原料，从而生成等离子，使反应原料和吸附原料发生反应。在此，在使反应原料和吸附原料发生反应来生成sio2(硅氧化膜)的情况下，使用o2气体作为反应原料，在使反应原料和吸附原料发生反应来生成si3n4(硅氮化膜)的情况下，使用n2气体作为反应原料。

接下来，如图4(d)所示那样，在清除步骤(图3(d))中，为了将反应原料从真空容器105排气，而通过空气控制使阀v1以及v2打开，从处理气体供给系统201以及前体气体供给系统202供给惰性气体。这时，阀v3由于阀v2打开而闭合，阀v4通过空气控制而闭合。

以上，本发明所涉及的ald处理在直到得到所期望的膜厚为止都依次重复进行图4(a)～(d)的各步骤。接下来，作为比较例，在以下说明通过图7示出的结构来实施ald处理的情况下的动作。

在吸附原料步骤(图3(a))中，为了从前体气体供给系统202供给前体气体，而通过空气控制使阀v2打开。另外，为了防止前体气体向喷淋板203倒流，而通过空气控制使阀v1打开，从气体供给系统201供给惰性气体。

接下来，在清除步骤(图3(b))中，为了将前体气体从真空容器204排气，而通过空气控制使阀v1以及v2打开，从处理气体供给系统201以及前体气体供给系统202供给惰性气体。接着，在反应步骤(图3(c))中，通过空气控制使阀v2闭合，使阀v1打开，从处理气体供给系统201供给反应原料。接下来，在清除步骤(图3(d))中，为了将反应原料从真空容器204排气，而通过空气控制使阀v1以及v2打开，从处理气体供给系统201以及前体气体供给系统202供给惰性气体。

在这样的基于图7所示的结构的ald处理的情况下，在反应步骤(图3(c))中，若不具有在从处理气体供给系统201供给反应原料时对前体气体供给系统202供给处理气体的功能，就不能与处理气体同时供给反应原料。不能供给反应原料的理由在于，等离子化的蚀刻剂有可能会倒流到气体供给线路g2，从而使前体气体供给系统产生故障。

另外，在该情况下，以防止倒流为目的，考虑与反应原料同时供给惰性气体，但由于在与反应原料同时供给惰性气体的情况下，有可能会因惰性气体的溅射而削减所生成的膜，因此不能为了防止倒流而使用惰性气体。进而，在图7的结构中，虽然能搭载对前体气体供给系统供给反应原料的功能，但需要追加质量流控制器(mfc)和气体供给线路。因此，需要对所使用的全部反应原料分别搭载质量流控制器等，在成本方面会有很大劣势。

另一方面，图1所示的本发明所涉及的气体供给部由于不经过喷淋板104的贯通孔114就能从向真空容器105供给气体的气体供给线路g3供给反应原料，因此能防止等离子化的蚀刻剂倒流而使前体气体供给系统202产生故障。

以上，如上述那样，由于本发明的气体供给部对前体气体具备两重的硬联锁，因此作为错误防止功能而能具有充分的性能。由此，能确保真空处理装置的可靠性、安全性。换言之，即使硬联锁之中某一个功能误工作或产生故障，由于前体气体供给阀的硬联锁为两重，因此处理气体和前体气体不会混合。因此，可以说具有了对于错误防止功能来说有充分的性能的两重的硬联锁功能。

接下来，关于进行ald处理的情况下的气体供给部的动作，以下，使用图5来说明与图4所示的ald处理时的气体供给部的动作不同的实施例。另外，以下所示的实施例在如下一点上与图4所示的气体供给部的各阀的动作不同，即，在图5所示的气体供给部的各阀的动作中，阀v1和v3进行联动而成为相同的开闭状态。例如，在图5所示的气体供给部中，在v1打开的情况下，v3也打开，在v1闭合的情况下，v3也闭合。

如图5(a)所示那样，在吸附原料步骤(图3(a))中，为了从前体气体供给系统202供给作为沉积处理用气体的前体气体，而通过空气控制使阀v2打开，同时通过空气控制使阀v4闭合。另外，为了防止前体气体向喷淋板104倒流，而通过空气控制使阀v1打开，从气体供给系统201供给ar气体。虽然阀v3由于阀v1打开而打开，但并不从处理气体供给系统201供给气体。在此，也可以用he气体、kr气体、xe气体等惰性气体取代ar气体。另外，前体气体是btbas{化学名：bis-tertiarybutylaminosilane、化学式：sih2[nhc(ch3)3]2}气体、bdeas{化学名：bis(diethylamido)silane、化学式：h2si[n(c2h5)2]2}气体、sicl4气体等。

接下来，如图5(b)所示那样，在清除步骤(图3(b))中，为了将前体气体从真空容器105排气，而使阀v1打开，使阀v2打开，使阀v4闭合，由此从处理气体供给系统201以及前体气体供给系统202供给ar气体。虽然阀v3由于阀v1打开而打开，但并不从处理气体供给系统201供给气体。在此，也可以用he气体、kr气体、xe气体等惰性气体取代ar气体。

接着，如图5(c)所示那样，在反应步骤(图3(c))中，通过空气控制使阀v2闭合，同时通过空气控制使阀v4打开。使阀v1打开而从处理气体供给系统201供给反应原料，从而生成等离子，使反应原料和吸附原料发生反应。阀v3由于阀v1打开而打开，从处理气体供给系统201供给反应原料。在此，在使反应原料和吸附原料发生反应来生成si02(硅氧化膜)的情况下，使用02气体作为反应原料，在使反应原料和吸附原料发生反应来生成si3n4(硅氮化膜)的情况下，使用n2气体作为反应原料。

接下来，如图5(d)所示那样，在清除步骤(图3(d))中，为了将反应原料从真空容器105排气，而通过空气控制使阀v1以及v2打开，从处理气体供给系统201以及前体气体供给系统202供给惰性气体。这时，虽然阀v3由于阀v1打开而打开，但并不从处理气体供给系统201供给气体。另外，阀v4通过空气控制而闭合。

以上，本发明所涉及的ald处理在直到得到所期望的膜厚为止都依次重复进行图5(a)～(d)的各步骤。另外，图5所示的阀v1～v4各自都不需要使用三位置弹簧复位中央排气型五端口电磁阀，例如，能通过利用两位置弹簧复位型电磁阀来控制阀v1～v4全部的空气驱动用空气而进行图5所示的阀v1～v4各自的动作。

以上，如上述那样，图5所示的气体供给部由于对于前体气体具备硬联锁，因此能确保真空处理装置的可靠性、安全性。

另外，图4以及图5所涉及的阀v1～v4各自的动作被控制装置117控制。进而，控制装置117还进行电磁波供给部101、高频电源118、电磁线圈102、真空排气部110等的本发明所涉及的等离子处理装置的等离子处理所涉及的控制。

在上述的实施例中，说明了具有微波ecr等离子源的等离子处理装置作为一个实施例，但在电容耦合型等离子源或感应耦合型等离子源等其他等离子生成方式下的等离子处理装置中也能得到与本实施例同样的效果。

另外，根据本发明，能抑制样品基板的成品率因前体气体对喷淋板产生异物而降低。