[发明专利]衬底等离子体处理设备和等离子体处理方法

说明书

本申请的交叉引用

本申请基于并要求2008年2月1日递交的日本专利申请No. 2008-023066的优先权；在此引用其全部内容作为参考。

技术领域

本发明涉及一种称为平行板型的衬底等离子体处理设备和一种衬底等 离子体处理方法，其中RF电极和对向电极在真空室中相对设置并且使用 在电极之间产生的等离子体对支撑在RF电极上的衬底进行处理。

背景技术

当在例如半导体晶片的衬底上进行布线等等的操作时，必须在衬底上 进行细致处理。为此，传统上经常利用使用等离子体的等离子体处理设备。

图11是示出了这样的传统衬底等离子体处理设备的实例的结构的示 意图。

图11所示的衬底等离子体处理设备10是称为平行板型的等离子体处 理设备。在衬底等离子体处理设备10中，高频(RF)电极12和对向电极 13在室11中被设置为相互面对。在面向对向电极13的RF电极12的主 表面上，支撑有即将受到处理的衬底S。用于产生等离子体并由此对衬底 S进行处理的气体从气体导入管14导入到室11中，如箭头所示。同时， 使用未示出的真空泵通过排气端口15抽空室11内部。此时，例如，室11 内部的压力大约是1Pa。

接下来，通过匹配装置16从13.56MHz的商用RF功率源17向RF 电极12施加RF(电压)。由此，在RF电极12和对向电极13之间产生 等离子体。

此时，通过在RF电极12上产生的负的自偏置电势Vdc，等离子体P 中的阳离子高速射向位于RF电极12上的衬底S。随后，此时的衬底入射 能量用来在衬底S上诱导表面反应由此进行等离子体衬底处理，例如反应 离子蚀刻(RIE)、等离子体化学气相沉积(PCVD)、溅射、离子注入 等等。特别地，从处理衬底的角度来看，主要使用RIE。因此，以下将要 给出的说明主要集中于特别是使用RIE的衬底处理。

在图11所示的等离子体处理设备中，Vdc(平均衬底入射能量)随着 RF功率增加而增加，如图12所示。因此，主要通过RF功率调整Vdc来 完成对处理速率的调整和对处理形状的调整。此外，还可以通过Vdc所依 赖的压力或电极形状来对Vdc进行部分调整。

图13示出了通过连续模型等离子体模拟器模拟平行板型Ar等离子体 来获得离子能量分布的结果，其中频率为13MHz，Vrf＝160V，压力为6.6 Pa，电极间的距离为30mm以及晶片尺寸为300mm(G.Chen，L.L.Raja， J.Appl.Phys.96，6073(2004))。而且，图14是示出适用于衬底S的RIE 的离子能量的分布状态的图。

到达衬底S上的入射能量呈现出了图13所示的离子能量分布。图13 表明，在图11所示的设备中产生的等离子体中的离子能量分为两部分，低 能量侧峰和高能量侧峰，并且取决于等离子体产生条件，其能量宽度ΔE 的宽为几十到几百eV。因此，甚至当将Vdc调整成最适宜衬底处理的能 量时，在图14所示的衬底上的入射离子中仍然存在具有过高(高能量侧峰) 能量的离子和具有过低(低能量侧峰)能量的离子。

因此，例如在RIE中，当使用具有与高能量侧峰相等的能量的离子进 行衬底处理时，会存在引起肩部切割(shoulder cutting)(肩部凹陷 (shoulder dropping))并使处理形状恶化的倾向。另一方面，当使用具 有与低能量侧峰相等的能量的离子进行衬底处理时，其等于或低于表面反 应阈值并且对衬底处理没有任何帮助或者倾向于伴随着各向异性的劣化 (离子入射角由于热速度而扩大)而使处理形状劣化。

如此看来，在现今半导体工艺中，必须窄化离子能量的带(实现小Δ E)，如图14中基本上处于中心部分的阴影所示，并最优地调整平均能量 值(最优化Vdc)以便对应于越来越缩小的半导体装置、各种膜以及复合 膜的RIE精细地控制处理形状。

为了窄化离子能量的带，可以考虑使用较高的RF频率(例如，参见 JP-A 2003-234331(KOKAI))和使用脉冲等离子体(例如，参见J.Appl. Phys.Vol.88，No.2，643(2000))。

而且，等离子体产生大致分为电感耦合型和电容耦合型。从精确控制 处理外形的角度来看，通过减少等离子体体积来缩短滞留时间从而抑制二 次反应是有效的。如此看来，电容耦合型的平行板型等离子体与具有大体 积的电感耦合型等离子体相比具有更大的优势。