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TW202301418A - 電漿處理裝置及電漿處理方法 - Google Patents

電漿處理裝置及電漿處理方法 Download PDF

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TW202301418A TW111123819A TW111123819A TW202301418A TW 202301418 A TW202301418 A TW 202301418A TW 111123819 A TW111123819 A TW 111123819A TW 111123819 A TW111123819 A TW 111123819A TW 202301418 A TW202301418 A TW 202301418A
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Abstract

本發明的目的在於供給與電漿處理裝置及電漿處理方法有關的技術，其可以控制離子和自由基的密度比。供給以下的技術：具備：對樣品進行電漿處理的處理室；高頻電源，其供給微波的高頻電力以在處理室內產生電漿；在處理室內形成磁場的磁場形成機構；設置在處理室內，用於載置樣品的樣品台；及用於屏蔽離子入射到樣品台，並且配置在前述樣品台上方的屏蔽板；磁場形成機構包含：設置在處理室的外周部的線圈；及連接到線圈的電源；藉由磁場形成機構的電源或高頻電源來控制相對於屏蔽板產生電漿的位置，在一邊週期性地改變產生電漿的位置成為屏蔽板的上方或下方一邊產生電漿。

Description

電漿處理裝置及電漿處理方法
本發明關於電漿處理裝置及電漿處理方法，特別是關於電漿處理裝置及電漿處理方法，其是在半導體基板等的表面加工中，可以有效適用在使用供給離子和自由基的各向異性蝕刻加工以及僅供給自由基的各向同性蝕刻加工之雙方進行電漿處理的技術。
對於半導體部件，由於市場對省電、高速化要求，部件結構不斷變得更加複雜和高度集成。在邏輯部件中正在檢討由層壓奈米線(Laminated nanowires)構成通道的GAA(Gate All Around(環繞式閘極))結構的應用。在形成GAA結構的蝕刻工程中，需要藉由各向異性蝕刻進行垂直加工(垂直方向蝕刻)的加工工程和藉由各向同性蝕刻進行橫向蝕刻的加工工程。各向異性蝕刻是利用離子在垂直於半導體基板(晶圓)表面的方向上具有偏向的能量這一事實，並且利用僅在垂直方向上藉由該能量促進自由基反應的離子輔助反應進行的蝕刻。另一方面，當希望在與晶圓表面平行的方向(橫向)上進行蝕刻時，使用主要由僅由自由基引起的表面反應構成的無各向異性的各向同性蝕刻。由於離子促進垂直方向的蝕刻，所以期待在各向同性蝕刻時從電漿(即，從供給至晶圓的粒子種)中去除離子。在進行GAA結構的蝕刻加工的電漿處理裝置中，既需要向晶圓供給離子和自由基之雙方以進行各向異性蝕刻的裝置，也需要僅供給自由基以進行各向同性蝕刻的裝置。
以往，供給離子和自由基以進行垂直加工的電漿處理裝置，和僅供給自由基進行各向同性加工的電漿處理裝置大多為不同的裝置。如果可以在一台裝置上進行兩種電漿處理，則可以減少裝置的設置面積和裝置數量，從而降低裝置成本。針對這樣的要求，專利文獻1(日本特開2018-093226號公報)揭示，「一種電漿處理裝置，其特徵為具備：對樣品進行電漿處理的處理室；為了在前述處理室內產生電漿而供給微波之高頻電力的高頻電源；在前述處理室內形成磁場的磁場形成機構；及用於載置前述樣品的樣品台；該電漿處理裝置還具備：用於屏蔽離子入射到前述樣品台並且配置在前述樣品台上方的屏蔽板；及控制裝置，其選擇性進行在前述屏蔽板的上方產生電漿的一種控制或在前述屏蔽板的下方產生電漿的另一種控制；前述一種控制，係藉由控制前述磁場形成機構使前述微波與電子迴旋共振的磁通密度的位置在前述屏蔽板上方並且在前述屏蔽板上方產生電漿，前述另一種控制，係藉由控制前述磁場形成機構使前述磁通密度的位置在前述屏蔽板下方並且在前述屏蔽板下方產生電漿」。藉此，供給一種可以用一台裝置同時實現自由基照射步驟和離子照射步驟，並且可以將離子照射能量控制在從幾十eV到幾KeV的電漿處理裝置以及使用該電漿處理裝置的電漿處理方法。
此外，對於供給自由基和離子進行加工的各向異性蝕刻要求更高精度的蝕刻技術。由於蝕刻處理是藉由晶圓表面與自由基之間的化學反應來進行，因此控制供給給晶圓的自由基密度以實現高精度的電漿蝕刻是很重要的。作為自由基濃度的控制技術之一，有使用脈衝放電的電漿蝕刻方法。例如，專利文獻2(日本特開平09-185999號公報)公開了一種「測定藉由電漿分解反應性氣體而產生的自由基的密度和組成，使電漿產生裝置的電力以恆定週期進行脈衝調變，並根據測定結果控制脈衝調變的工作比來控制自由基的密度和組成」的方法。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]特開2018-093226號公報 [專利文獻2]特開平09-185999號公報
[發明所欲解決的課題]
期待著可以用一台裝置同時實現供給離子和自由基的各向異性蝕刻加工和僅供給自由基的各向同性蝕刻加工，並且在供給離子和自由基以加工微細結構的各向異性蝕刻加工中，可以進行更高精度的蝕刻加工。
另外，在上述專利文獻2中公開的使用脈衝放電的蝕刻處理中，需要測定脈衝調變的工作比與自由基密度之間的關係，工作比與自由基密度之間的關係不是很清楚。
因此，本發明的目的在於供給一種與電漿處理裝置及電漿處理方法相關的技術，該電漿處理裝置及電漿處理方法，在供給離子和自由基的各向異性蝕刻加工中可以更直接地控制離子和自由基的密度比。 [解決課題的手段]
供給一種技術，係具備：對樣品進行電漿處理的處理室；高頻電源，其供給微波的高頻電力以在處理室內產生電漿；在處理室內形成磁場的磁場形成機構；設置在處理室內，用於載置樣品的樣品台；及用於屏蔽離子入射到樣品台，並且配置在前述樣品台上方的屏蔽板；磁場形成機構包含：設置在處理室的外周部的線圈；及連接到線圈的電源；藉由磁場形成機構的電源或高頻電源來控制相對於屏蔽板產生電漿的位置，在一邊週期性地改變產生電漿的位置成為屏蔽板的上方或下方一邊產生電漿。 [發明效果]
根據本發明，能夠供給一種與電漿處理裝置及電漿處理方法相關的技術，該電漿處理裝置及電漿處理方法，在供給離子和自由基的各向異性蝕刻加工中可以更直接地控制離子和自由基的密度比。
以下，使用圖面說明本發明的實施形態。 [實施例1]
圖1是表示本實施例的電漿處理裝置的整體構成的概要的縱剖視圖。圖1所示的電漿處理裝置10具有形成在真空容器101內部的處理室100。在真空容器101的上部設置有用於將蝕刻氣體導入真空容器101內部的處理室100的噴淋板102，和用於氣密地密封處理室100的上部的電介質窗103，而構成處理室100。
氣體供給裝置107經由氣體配管連接到噴淋板102與電介質窗103之間的區域，供給用於進行電漿蝕刻處理的氧氣或氯氣等氣體。此外，真空排氣裝置118經由壓力調節閥117連接到真空容器101，以控制處理室100的壓力。
放射電磁波的導波管108(或天線)設置在電介質窗103上方，以便將用於產生電漿的電力傳輸到處理室100。從電磁波產生電源(也稱為高頻電源)110振盪的電磁波經由電磁波匹配器111傳輸到導波管108(或天線)。在該實施例1中，從電磁波產生電源110輸出的高頻電流的頻率被設為恆定的頻率。配置有空腔諧振器109以便藉由從導波管108傳播來的電磁波在處理室100內形成特定模式的駐波。電磁波的頻率沒有特別限定，在本實施例中設為2.45GHz的微波。在處理室100的外周部設有磁場產生線圈112(112a、112b、112c)，直流線圈電流電源113(113a和113b)連接到磁場產生線圈112a和112b以控制其電流，交流線圈電流電源114連接到磁場產生線圈112c。磁場產生線圈112a和112b由直流線圈電流電源113輸出的直流電流驅動，磁場產生線圈112c由交流線圈電流電源114輸出的交流電流驅動。磁場產生線圈112、直流線圈電流電源113和交流線圈電流電源114可以說是磁場形成機構。可以說磁場產生線圈112a、112b是第一線圈，磁場產生線圈112c是第二線圈。
由電磁波產生電源110振盪的電力與由磁場產生線圈112形成的磁場藉由電子迴旋共振(ECR：Electron Cyclotron Resonance)而在處理室100內產生電漿。
另外，在面向噴淋板102的處理室100的下部設置有電極基板115，該電極基板115兼作作為樣品的半導體處理基板(也稱為半導體基板)116的載置台(也稱為樣品台)。高頻電源120經由高頻匹配器119連接到電極基板115。藉由從與電極基板115連接的高頻電源120供給高頻電力，在電極基板115上產生通常稱為自偏壓的負電壓，藉由自偏壓加速電漿中的離子並使其垂直入射到半導體處理基板116上，從而蝕刻半導體處理基板116。
處理室100在噴淋板102與半導體處理基板116的載置台之間具備離子屏蔽板104，離子屏蔽板104將處理室100的內部空間劃分為上下區域。在此，在本說明書中，將離子屏蔽板104上方的區域稱為第一區域或自由基區域105，將離子屏蔽板104下方的區域稱為第二區域或RIE(Reactive Ion Etching)區域106。磁場產生線圈112a和112b配置在離子屏蔽板104的上方。磁場產生線圈112c配置在磁場產生線圈112a、112b的下方，而且配置在離子屏蔽板104的附近。
為了引起2.45GHz的電磁波和ECR來產生電漿，需要0.0875T(特斯拉)的磁通密度的磁場。將處理室100內的磁通密度為0.0875T的區域定義為ECR區域的位置。為了產生強磁場，使用自感為100~1000mH的磁場產生線圈112，使得直流線圈電流電源113和交流線圈電流電源114可以供給大約10~60A的電流。藉由控制從多個直流線圈電流電源113和交流線圈電流電源114供給到各自連接的磁場產生線圈112的電流值，可以精確地控制處理室100內的ECR區域的位置，並且可以移動相對於半導體處理基板116的電漿產生位置。此外，由於磁場產生線圈112a和112b位於離子屏蔽板104的上方，因此由這些線圈112a和112b產生的磁場強度在靠近線圈112a和112b的自由基區域105中比在RIE區域106中強。這是因為當希望將電磁波傳播到產生電漿的ECR區域時，最好設定磁場使得磁場從電磁波的入射方向朝向ECR區域變得更弱。這是為了使從ECR區域觀察時在導波管108的方向上、亦即從RIE區域106觀察時在自由基區域105的方向上的磁場更強。
如上所述，處理室100在噴淋板102與半導體處理基板116的載置台之間具有離子屏蔽板104，並且藉由離子屏蔽板104分隔為離子屏蔽板104上方的自由基區域105和離子屏蔽板104下方的反應性離子蝕刻(RIE: Reactive Ion Etching)區域106的兩個區域。
當將ECR區域的位置設定在自由基區域105內來產生電漿時，由於在半導體處理基板116和電漿之間具有離子屏蔽板104，由於離子屏蔽板104的作用，來自電漿的離子不會到達半導體處理基板116而僅有自由基被供給，因此藉由自由基蝕刻(各向同性蝕刻)對半導體處理基板116進行電漿處理。
當將ECR區域的位置設定在RIE區域106內以產生電漿時，電漿與半導體處理基板116之間沒有任何阻擋，因此來自電漿的離子和自由基雙方都被供給到半導體處理基板116，半導體處理基板116藉由RIE(各向異性蝕刻)進行電漿處理。
控制裝置130連接到氣體供給裝置107、壓力控制閥117、電磁波產生電源110、直流線圈電流電源113、交流線圈電流電源114和高頻電源120，並且配合製程條件來控制電漿處理裝置10。在由多個電漿處理步驟構成製程條件之情況下，配合每個處理步驟由控制裝置130依序控制每個裝置參數來進行半導體處理基板116的蝕刻處理。
在本發明中，當ECR區域的位置位於離子屏蔽板104上方時，向半導體處理基板116僅供給自由基，而當ECR區域的位置位於離子屏蔽板104下方時，自由基和離子都被供給給半導體處理基板116，利用這樣的方式，藉由在這兩個區域之間週期性地設置ECR區域的位置來進行離子和自由基的密度比得到了控制的反應性離子蝕刻。在通常的RIE中，100%的時間在RIE區域106中產生了電漿。相對於此，藉由在RIE區域106中產生電漿的同時在自由基區域105中亦進行電漿的產生，從而，除了離子和自由基都被供給的時間之外，還可以作成僅供給自由基的時間。藉由在RIE區域106與自由基區域105之間週期性地切換電漿產生區域，則可以進行整體上降低了離子密度並且增加了自由基密度比的RIE。另外，由於在RIE區域106中僅在產生電漿的期間供給離子，所以供給到半導體處理基板116的離子量是與週期性地切換ECR區域的位置的1個週期之中設定在RIE區域106中的時間的比例成正比。當ECR區域的位置被設定為RIE區域106的時間增加時離子的比率增加，當ECR區域的位置被設定為自由基區域105的時間增加時自由基的比率增加，離子和自由基的密度之比可以藉由在一個週期中將ECR區域的位置設定在RIE區域106中的時間與將ECR區域的位置設定在自由基區域105中的時間之比率來改變。
為了週期性的ECR區域的位置控制以及改變將ECR區域的位置設定在自由基區域105和RIE區域106中的時間的比，係藉由從直流線圈電流電源(也稱為直流電源)113輸出的直流電流來設定成為ECR區域中心的位置，並藉由從交流線圈電流電源(也稱為交流電源)114輸出的交流電流來上下移動ECR區域的位置而進行。
圖2A、2B示出了藉由直流線圈電流電源113設定ECR區域的位置的示例。這裡，ECR區域的位置可以被認為是成為ECR區域的中心的位置。由磁場產生線圈112a和112b產生的磁場是從自由基區域105向RIE區域106減弱，此外，由於在真空容器101(或處理室100)的上部產生比ECR區域的磁場強度強的磁場，因此電流越大，ECR區域越向真空容器101(或處理室100)的下方移動。因此，如圖2A所示，當直流線圈電流電源113a和113b的電流較小時(IaL，IbL)產生的ECR區域的位置200位於離子屏蔽板104上方的自由基區域105中。另一方面，如圖2B所示，當直流線圈電流電源113a和113b的電流較大時(IaH＞IaL，IbH＞IbL)產生的ECR區域的位置200位於離子屏蔽板104下方的RIE區域106中。
在圖1的電漿處理裝置10中，對於直流線圈電流電源113和交流線圈電流電源114這兩種線圈電流電源，只有最靠近離子屏蔽板104的磁場產生線圈112c連接到交流線圈電流電源114，比磁場產生線圈112c離離子屏蔽板104更遠的磁場產生線圈112a和112b連接到直流線圈電流電源113。這是因為線圈產生的磁場越靠近該線圈越強，因此最接近離子屏蔽板104附近的磁場強度的磁場產生線圈112c的電流的效果較大。因此，當希望相對於離子屏蔽板104上下移動ECR區域時，由於需要變化離子屏蔽板104附近的磁場強度，因此可以變化最近的磁場產生線圈112c的電流。
圖3A、3B示出了藉由磁場產生線圈112c的交流電流使ECR區域相對於由磁場產生線圈112a和112b初始設定的ECR區域的位置200上下移動的示例。示出了ECR區域的位置200的上限U和下限L、離子屏蔽板104的位置以及與這些位置對應的各電流值(IU、IL、IP)。當由交流線圈電流電源114流過磁場產生線圈112c的交流電流Icac為正時ECR區域的位置移動到真空容器101(或處理室100)下方，當為負時ECR區域的位置移動到真空容器101(或處理室100)上方。當ECR區域的位置200被圖3A的直流線圈電流電源113初始設定為自由基區域105時，ECR區域的位置在自由基區域105中的時間比在RIE區域106中的時間長。當ECR區域的位置200被圖3B的直流線圈電流電源113初始設定為RIE區域106時，ECR區域的位置在RIE區域106中的時間比在自由基區域105中的時間長。此外，由於在磁場產生線圈112c中流動的電流Icac是交流電流，所以ECR區域的位置在自由基區域105和RIE區域106之間週期性地移動。即，控制裝置130藉由控制直流線圈電流電源113和交流線圈電流電源114，使得由微波和磁場相互作用產生的電子迴旋共振(ECR)區域的位置200週期性地變化。因此，在一個週期期間，電子迴旋共振(ECR)區域的位置200從屏蔽板104的上方移動到屏蔽板104的下方或從屏蔽板104的下方移動到屏蔽板104的上方。
接著，對使用電漿處理裝置10的電漿處理方法進行說明。
步驟1)為了在半導體基板的表面上形成GAA結構，進行將作為樣品的半導體基板116載置於處理室100內的載置台115上的工程。
步驟2)進行藉由壓力調節閥117和真空排氣裝置118控制處理室100內的壓力的工程。
步驟3)進行從氣體供給裝置107向處理室100的噴淋板102與電介質窗103之間的區域供給用於進行電漿蝕刻處理的氧氣或氯氣等蝕刻氣體的工程。
步驟4)使電磁波產生電源110、直流線圈電流電源113和交流線圈電流電源114動作以在處理室100內產生電漿並對半導體基板116的表面進行電漿蝕刻而進行電漿處理的工程。
這裡，步驟4)可以採取以下第一狀態、第二狀態或第三狀態。
如圖2A所示，第一狀態是使ECR區域的位置相對於離子屏蔽板104設定在上方而進行各向同性蝕刻的狀態。
如圖2B所示，第二狀態是使ECR區域的位置相對於離子屏蔽板104設定在下方而進行各向異性蝕刻的狀態。
如圖3A或圖3B所示，第三狀態是使ECR區域的位置相對於離子屏蔽板104週期性地上下移動來控制離子和自由基的密度之比，而進行高精度的各向異性蝕刻的狀態。
根據實施例1，可以獲得以下一種或多種效果。
1)藉由一台電漿處理裝置10能夠實現供給離子和自由基的各向異性蝕刻加工和僅供給自由基的各向同性蝕刻加工之雙方。
2)可以供給一種在供給離子和自由基的各向異性蝕刻加工中，能夠更直接地控制離子和自由基的密度之比的技術。
3)可以供給一種在供給離子和自由基進行加工的各向異性蝕刻中，由於能夠高精度地控制供給到半導體處理基板(晶圓)的表面的自由基密度，而能夠進行高精度的電漿蝕刻的技術。
在本實施例中，使用三個磁場產生線圈112 (112a、112b和112c)，但數量不限於此。當有多個磁場產生線圈時，可以從離離子屏蔽板104最近的一個依序連接到交流線圈電流電源，其餘的磁場產生線圈可以連接到直流線圈電流電源。
通常，當使用高頻電源變化電漿處理室內的磁場時，高頻感應電流在電漿中流動，並且該感應電流可以產生維持電漿產生的感應耦合電漿。在這種情況下，由於產生與由ECR產生的電漿不同的電漿，因此無法通過ECR區域位置的控制來控制電漿產生位置。因此，為了不產生感應耦合電漿，交流線圈電流電源的頻率最好使用1kHz以下的頻率。
此外，在圖3A、3B中，交流線圈電流電源114的輸出圖示正弦波，但輸出不限於正弦波。可以使用除正弦波之外可以輸出週期性變化的波形(例如方形波)的任何交流電源。 [實施例2]
圖4是表示本實施例的電漿處理裝置的整體構成的概要的縱剖視圖。電漿處理裝置11具有形成在真空容器101內部的處理室100。用於將蝕刻氣體導入真空容器101內部的噴淋板102和用於氣密密封處理室100的上部的電介質窗103設置在真空容器101的上部以形成處理室100。
氣體供給裝置107通過氣體配管與噴淋板102連接，供給用於進行電漿蝕刻處理的氧氣或氯氣等氣體。此外，真空排氣裝置118經由壓力調節閥117連接到真空容器101，以控制處理室100中的壓力。與實施例1相同，在處理室100設置有離子屏蔽板104。
放射電磁波的導波管108(或天線)設置在電介質窗103的上方，以便將用於產生電漿的電力傳輸到處理室100。從可變頻率電磁波產生電源(也稱為可變頻率高頻電源)301振盪的電磁波經由電磁波匹配器111傳輸到導波管108(或天線)。配置有空腔諧振器109以便藉由從導波管108傳播來的電磁波在處理室100內形成特定模式的駐波。可變頻率的電磁波的頻率沒有特別限定，在本實施例中設為1.80GHz~2.45GHz的微波。在處理室100的外周部設有磁場產生線圈112(112a、112b、112c)，直流線圈電流電源113(113a、113b、113c)分別連接到磁場產生線圈112a、112b、112c以控制其電流。磁場產生線圈112和直流線圈電流電源113可以說是磁場形成機構。從電磁波產生電源301振盪的電力藉由與磁場產生線圈112形成的磁場的電子迴旋共振(ECR：Electron Cyclotron Resonance)而在處理室100內產生電漿。
另外，在面向噴淋板102的處理室100的下部設置有電極基板115，該電極基板115兼作為半導體處理基板116的載置台(也稱為樣品台)。高頻電源120經由高頻匹配器119連接到電極基板115。藉由從與電極基板115連接的高頻電源120供給高頻電力，在電極基板115上產生通常稱為自偏壓的負電壓，藉由自偏壓加速電漿中的離子並使其垂直入射到半導體處理基板116上，從而蝕刻處理半導體處理基板116。
處理室100在噴淋板102與半導體處理基板116的載置台之間具備離子屏蔽板104，離子屏蔽板104將處理室100的內部空間劃分為上下區域。在此，在本說明書中，將離子屏蔽板104上方的區域稱為第一區域或自由基區域105，將離子屏蔽板104下方的區域稱為第二區域或RIE(Reactive Ion Etching)區域106。
為了引起1.80GHz~2.45GHz的電磁波和ECR來產生電漿，需要0.0643T~0.0875T的磁場。在處理室100內將具有引起與各頻率對應的共振的磁場強度的區域定義為ECR區域。為了產生強磁場，使用自感為100~1000mH的磁場產生線圈112，使得直流線圈電流電源113(113a、113b、113c)可以供給大約10~60A的電流。藉由控制從多個直流線圈電流電源113供給到各自連接的磁場產生線圈112的電流值，可以精確地控制處理室100內的ECR區域的位置，並且可以移動相對於半導體處理基板116的電漿產生位置。此外，由於磁場產生線圈112a和112b位於離子屏蔽板104的上方，因此由這些線圈112a和112b產生的磁場強度在靠近線圈112a和112b的自由基區域105中比在RIE區域106中強。這是因為當希望將電磁波傳播到產生電漿的ECR區域時，最好設定磁場使得磁場從電磁波的入射方向朝向ECR區域變得更弱。這是為了使從ECR區域觀察時在導波管108的方向上、亦即從RIE區域106觀察時在自由基區域105的方向上的磁場更強。
如上所述，處理室100在噴淋板102與半導體處理基板116之間具有離子屏蔽板104，並且藉由離子屏蔽板104分隔為離子屏蔽板104上方的自由基區域105和離子屏蔽板104下方的反應性離子蝕刻(RIE: Reactive Ion Etching)區域106的兩個區域。當將ECR區域的位置200設定在自由基區域105內來產生電漿時，由於在半導體處理基板116與電漿之間具有離子屏蔽板104，由於離子屏蔽板104的作用，來自電漿的離子不會到達半導體處理基板116而僅有自由基被供給到半導體處理基板116，因此藉由自由基蝕刻對半導體處理基板116進行電漿處理。當將ECR區域的位置200設定在RIE區域106內以產生電漿時，電漿與半導體處理基板116之間沒有任何阻擋，因此來自電漿的離子和自由基雙方都被供給到半導體處理基板116，半導體處理基板116藉由RIE進行電漿處理。
控制裝置130連接到氣體供給裝置107、壓力控制閥117、可變頻率電磁波產生電源301、直流線圈電流電源113、和高頻電源120，並且配合製程條件來控制電漿處理裝置。在由多個電漿處理步驟構成製程條件之情況下，配合每個處理步驟由控制裝置130依序控制每個裝置參數來進行半導體處理基板116的蝕刻處理。
在本發明中，當ECR區域的位置位於離子屏蔽板104的上方時，向半導體處理基板116僅供給自由基，而當ECR區域的位置位於離子屏蔽板104的下方時，自由基和離子之雙方都被供給到半導體處理基板116，利用這樣的方式，藉由在這兩個區域(105、106)之間週期性地設置ECR區域的位置來進行離子和自由基的密度比得到了控制的反應性離子蝕刻。在通常的RIE中，100%的時間在RIE區域106中產生了電漿。相對於此，藉由在RIE區域106中產生電漿的同時在自由基區域105中亦進行電漿的產生，從而，除了離子和自由基都被供給給半導體處理基板116的時間之外，還可以作成僅將自由基供給到半導體處理基板116的時間。藉由在RIE區域106與自由基區域105之間週期性地切換電漿產生區域，則可以進行整體上降低了離子密度並且增加了自由基密度比的RIE。另外，由於在RIE區域106中僅在產生電漿的期間供給離子給半導體處理基板116，所以供給到半導體處理基板116的離子量是與週期性地切換ECR區域的位置的1個週期之中設定在RIE區域106中的時間的比例成正比。當ECR區域的位置被設定為RIE區域106的時間增加時離子的比率增加，當ECR區域的位置被設定為自由基區域105的時間增加時自由基的比率增加，因此離子和自由基的密度之比可以藉由在一個週期中將ECR區域的位置設定在RIE區域106中的時間與將ECR區域的位置設定在自由基區域中的時間之比率來改變。
為了週期性的ECR區域的位置控制以及改變將ECR區域的位置設定在自由基區域105和RIE區域106中的時間的比，係藉由進行如下來實現的：從直流線圈電流電源113輸出的電流，使ECR區域的位置對應於可變頻率電磁波產生電源301的頻率範圍的中心頻率，例如當頻率範圍是1.80GHz至2.45 GHz的情況下中心頻率為2.13GHz，並藉由變化可變頻率電磁波產生電源301相對於該磁場的輸出頻率來上下移動ECR區域的位置。
圖5A、5B示出了藉由直流線圈電流電源113設定與中心頻率對應的ECR區域的位置200的示例。這裡，ECR區域的位置可以被認為是成為ECR區域的中心的位置。由磁場產生線圈112產生的磁場是從自由基區域105向RIE區域106減弱，此外，由於在真空容器101的上部產生比ECR區域的磁場強度強的磁場，因此電流越大，ECR區域越向真空容器101的下方移動。因此，如圖5A所示，當直流線圈電流電源113a、113b、113c的各個電流較小時(IaL、IbL、IcL)產生的ECR區域的位置200位於離子屏蔽板104上方的自由基區域105中。另一方面，如圖5B所示，當直流線圈電流電源113a、113b、113c的電流較大時(IaH＞IaL、IbH＞IbL、IcH＞IcL)產生的ECR區域的位置200位於離子屏蔽板104下方的RIE區域106中。
圖6A、6B示出了藉由可變頻率電磁波產生電源301的頻率使ECR區域的位置相對於由磁場產生線圈112設定的中心頻率的ECR區域的位置200上下移動的示例。圖6A示出了ECR區域的位置200的上限U和下限L、離子屏蔽板104的位置以及與這些位置對應的各頻率(fU、fL、fP)。當頻率低於中心頻率fc時共振所需的磁場強度也減弱，因此，在頻率變低時ECR區域的位置移動到真空容器101的下方，當頻率高於中心頻率時，ECR區域的位置移動到真空容器101的上方。如圖6A所示，當藉由直流線圈電流電源113將對應於中心頻率fc的ECR區域的位置200設定在自由基區域105時，ECR區域的位置在自由基區域105中的時間比在RIE區域106中的時間長。如圖6B所示，當藉由直流線圈電流電源113將對應於中心頻率fc的ECR區域的位置設定在RIE區域106時，ECR區域的位置在RIE區域106中的時間比在自由基區域105中的時間長。藉由週期性地改變可變頻率電磁波產生電源301的頻率，可以在不改變磁場強度之情況下使ECR區域的位置在自由基區域105與RIE區域106之間週期性地移動。即，控制裝置130控制高頻電源301以便周期性地變化由微波與磁場的相互作用產生的電子迴旋共振(ECR)的區域的位置(200)。因此，在一個週期期間，電子迴旋共振(ECR)區域的位置200從屏蔽板104的上方移動到屏蔽板104的下方或從屏蔽板104的下方移動到屏蔽板104的上方。
接著，對使用電漿處理裝置11的電漿處理方法進行說明。
步驟1)為了在半導體基板的表面上形成GAA結構，進行將作為樣品的半導體基板116載置於處理室100內的載置台115上的工程。
步驟2)進行藉由壓力調節閥117和真空排氣裝置118控制處理室100內的壓力的工程。
步驟3)進行從氣體供給裝置107向處理室100的噴淋板102與電介質窗103之間的區域供給用於進行電漿蝕刻處理的氧氣或氯氣等蝕刻氣體的工程。
步驟4)使可變頻率電磁波產生電源301、直流線圈電流電源113動作以在處理室100內產生電漿並對半導體基板116的表面進行電漿蝕刻而進行電漿處理的工程。在步驟4)中，如圖5A、5B、6A和6B所示，使ECR區域的位置相對於離子屏蔽板104週期性地上下移動，以控制離子和自由基的密度之比，藉此而進行高精度的各向異性蝕刻。
根據實施例2，可以供給在供給離子和自由基的各向異性蝕刻加工中，能夠更直接地控制離子和自由基的密度比的技術。
(變形例) 接著，對變形例的電漿處理裝置進行說明。
1)在實施例2的電漿處理裝置11中，可以將直流線圈電流電源113c變更為實施例1中說明的交流線圈電流電源114。在這種情況下，在各向異性蝕刻加工中，需要設定可變頻率電磁波產生電源301的頻率和交流線圈電流電源114的頻率，使得離子和自由基的密度比成為期望值。
2)在實施例2的電漿處理裝置11中，也可以同時具備可變頻率電磁波產生電源301和實施例1的電磁波產生電源110。當進行各向同性蝕刻時，電磁波產生電源110在圖5A所示的狀態下動作。此外，當進行各向異性蝕刻時，電磁波產生電源110在圖5B所示的狀態下動作。當進行以高精度控制離子和自由基的密度比的各向異性蝕刻時，可變頻率電磁波產生電源301如圖6A和6B所示動作。藉此，供給離子和自由基的各向異性蝕刻加工和僅供給自由基的各向同性蝕刻加工之雙方可以藉由一台電漿處理裝置來實現。
實施例1和實施例2的電漿處理裝置(10、11)可以總結如下。
1)一種電漿處理裝置，其特徵為具備： 對樣品進行電漿處理的處理室(100)； 高頻電源(110、301)，其供給微波的高頻電力以產生電漿； 用於產生磁場的線圈(112)； 使電流流過前述線圈的電源(113、114)； 用於載置前述樣品的樣品台(116)； 屏蔽板(104)，其屏蔽離子入射到前述樣品台，並且配置在前述樣品台上方；及 控制裝置(130)，其控制前述電源使得週期性地變化由前述微波與前述磁場的相互作用產生的電子迴旋共振區域的位置(200)； 在一個週期期間，前述電子迴旋共振區域的位置係從前述屏蔽板的上方移動到前述屏蔽板的下方或從前述屏蔽板的下方移動到前述屏蔽板的上方(圖3A、圖3B、圖6A、圖6B)。
2)一種電漿處理裝置，其特徵為具備： 對樣品進行電漿處理的處理室(100)； 高頻電源(301)，其供給微波的高頻電力以產生電漿； 用於產生磁場的線圈(112)； 使電流流過前述線圈的電源(113)； 用於載置前述樣品的樣品台(116)； 屏蔽板(104)，其屏蔽離子入射到前述樣品台，並且配置在前述樣品台上方；及 控制裝置(130)，其控制前述高頻電源使得週期性地變化由前述微波與前述磁場的相互作用產生的電子迴旋共振區域的位置(200)； 在一個週期期間，前述電子迴旋共振區域的位置係從前述屏蔽板的上方移動到前述屏蔽板的下方或從前述屏蔽板的下方移動到前述屏蔽板的上方(圖6A、圖6B)。
3)在上述1)的電漿處理裝置中， 前述電源包含直流電源(113)和交流電源(114)。
4)在上述3)的電漿處理裝置中， 前述線圈(112)，係包含連接到前述直流電源(113)的第一線圈(112a、112b)和連接到前述交流電源(114)的第二線圈(112c)，並且配置在前述處理室(100)的外側， 前述第一線圈(112a、112b)的高度是前述屏蔽板(104)的上方的高度， 前述第二線圈(112c)配置在比前述第一線圈(112a、112b)更靠近前述屏蔽板(104)。
5)在上述4)的電漿處理裝置中， 前述高頻電源(301)的頻率為可變。
6)在上述2)的電漿處理裝置中， 前述控制裝置(130)控制前述高頻電源(301)的頻率，以週期性地變化前述電子迴旋共振區域的位置(200)。
7)在上述6)的電漿處理裝置中， 前述電源(113)為直流電源。
8)在上述3)的電漿處理裝置中， 前述線圈(112)，係包含連接到前述直流電源(113)的第一線圈(112a、112b)和連接到前述交流電源(114)的第二線圈(112c)，並且配置在前述處理室(100)的外側， 前述控制裝置(130)控制前述交流電源(114)，以週期性地變化由前述第一線圈(112a、112b)形成的磁場與前述微波之間的相互作用產生的電子迴旋共振區域的位置(200)。
此外，實施例1和實施例2中說明的電漿處理方法可以總結如下。
9)一種使用電漿處理裝置(10、11)的電漿處理方法，該電漿處理裝置(10、11)具備：對樣品進行電漿處理的處理室(100)；高頻電源(110、301)，其供給微波的高頻電力以產生電漿；用於產生磁場的線圈(112)；使電流流過前述線圈的電源(113、114)；用於載置前述樣品的樣品台(116)；及屏蔽板(104)，其屏蔽離子入射到前述樣品台，並且配置在前述樣品台上方； 該電漿處理方法之特徵為： 具有：使由前述微波與前述磁場的相互作用產生的電子迴旋共振區域的位置(200)週期性地變化的工程； 在一個週期期間，前述電子迴旋共振區域的位置(200)係從前述屏蔽板(104)的上方移動到前述屏蔽板的下方或從前述屏蔽板的下方移動到前述屏蔽板的上方(圖3A、圖3B、圖6A、圖6B)。
10)在上述9)的電漿處理方法中， 藉由控制流過前述線圈(112)的電流使得前述電子迴旋共振區域的位置(200)週期性地變化。
11)在上述9)的電漿處理方法中， 藉由控制前述高頻電源(301)的頻率使得前述電子迴旋共振區域的位置(200)週期性地變化。
以上，根據實施例對本發明人的發明進行了具體說明，但本發明不限於上述實施形態和實施例，當然可以進行各種變形。
10,11:電漿處理裝置 100:處理室 101:真空容器 102:噴淋板 103:電介質窗 104:離子屏蔽板 105:自由基區域 106:RIE區域 107:氣體供給裝置 108:導波管 109:空腔諧振器 110:電磁波產生電源 111:電磁波匹配器 112:磁場產生線圈 113:直流線圈電流電源 114:交流線圈電流電源 115:電極基板 116:半導體處理基板 117:壓力調節閥 118:真空排氣裝置 119:高頻匹配器 120:高頻電源 200:ECR區域的位置 301:可變頻率電磁波產生電源
[圖1]是表示本發明的實施例1的電漿蝕刻裝置的概要的縱剖視圖。 [圖2A]是表示利用本發明的實施例1的直流線圈電流電源設定成為中心的ECR區域的電流的圖。 [圖2B]是表示利用本發明的實施例1的直流線圈電流電源設定成為中心的ECR區域的電流的圖。 [圖3A]是表示以圖2A的ECR區域為初始設定位置而使ECR區域相對於離子屏蔽板上下移動的交流線圈電流電源的電流的圖。 [圖3B]是表示以圖2B的ECR區域為初始設定位置而使ECR區域相對於離子屏蔽板上下移動的交流線圈電流電源的電流的圖。 [圖4]是表示本發明的實施例2的電漿蝕刻裝置的概要的縱剖視圖。 [圖5A]是表示藉由本發明的實施例2的直流線圈電流電源來設定與可變頻率電磁波產生電源的中心頻率對應的ECR區域的電流的圖。 [圖5B]是表示藉由本發明的實施例2的直流線圈電流電源來設定與可變頻率電磁波產生電源的中心頻率對應的ECR區域的電流的圖。 [圖6A]是表示以在圖5A中設定的中心頻率的ECR區域作為中心，並藉由改變可變頻率電磁波產生電源的頻率而使ECR區域相對於離子屏蔽板上下移動的交流線圈電流電源的電流的圖。 [圖6B]是表示以在圖5B中設定的中心頻率的ECR區域作為中心，並藉由改變可變頻率電磁波產生電源的頻率而使ECR區域相對於離子屏蔽板上下移動的交流線圈電流電源的電流的圖。
10:電漿處理裝置
100:處理室
101:真空容器
102:噴淋板
103:電介質窗
104:離子屏蔽板
105:自由基區域
106:RIE區域
107:氣體供給裝置
108:導波管
109:空腔諧振器
110:電磁波產生電源
111:電磁波匹配器
112a,112b,112c:磁場產生線圈
113a,113b:直流線圈電流電源
114:交流線圈電流電源
115:電極基板
116:半導體處理基板
117:壓力調節閥
118:真空排氣裝置
119:高頻匹配器
120:高頻電源
130:控制裝置

Claims (11)

  1. 一種電漿處理裝置，其特徵為具備： 對樣品進行電漿處理的處理室； 高頻電源，其供給微波的高頻電力以產生電漿； 用於產生磁場的線圈； 使電流流過前述線圈的電源； 用於載置前述樣品的樣品台； 屏蔽板，其屏蔽離子入射到前述樣品台，並且配置在前述樣品台上方；及 控制裝置，其控制前述電源以使由前述微波與前述磁場的相互作用產生的電子迴旋共振區域的位置週期性地變化； 在一個週期期間，前述電子迴旋共振區域的位置係從前述屏蔽板的上方移動到前述屏蔽板的下方或從前述屏蔽板的下方移動到前述屏蔽板的上方。
  2. 一種電漿處理裝置，其特徵為具備： 對樣品進行電漿處理的處理室； 高頻電源，其供給微波的高頻電力以產生電漿； 用於產生磁場的線圈； 使電流流過前述線圈的電源； 用於載置前述樣品的樣品台； 屏蔽板，其屏蔽離子入射到前述樣品台，並且配置在前述樣品台上方； 控制裝置，其控制前述高頻電源以使由前述微波與前述磁場的相互作用產生的電子迴旋共振區域的位置週期性地變化； 在一個週期期間，前述電子迴旋共振區域的位置係從前述屏蔽板的上方移動到前述屏蔽板的下方或從前述屏蔽板的下方移動到前述屏蔽板的上方。
  3. 如請求項1之電漿處理裝置，其中 前述電源包含直流電源和交流電源。
  4. 如請求項3之電漿處理裝置，其中 前述線圈，係包含連接到前述直流電源的第一線圈和連接到前述交流電源的第二線圈，並且配置在前述處理室的外側， 前述第一線圈的高度是前述屏蔽板的上方的高度， 前述第二線圈配置在比前述第一線圈更靠近前述屏蔽板。
  5. 如請求項4之電漿處理裝置，其中 前述高頻電源的頻率為可變。
  6. 如請求項2之電漿處理裝置，其中 前述控制裝置控制前述高頻電源的頻率，以週期性地變化前述電子迴旋共振區域的位置。
  7. 如請求項6之電漿處理裝置，其中 前述電源為直流電源。
  8. 如請求項3之電漿處理裝置，其中 前述線圈，係包含連接到前述直流電源的第一線圈和連接到前述交流電源的第二線圈，並且配置在前述處理室的外側， 前述控制裝置控制前述交流電源，以週期性地變化由前述第一線圈形成的磁場與前述微波之間的相互作用產生的電子迴旋共振區域的位置。
  9. 一種電漿處理方法，係使用電漿處理裝置的電漿處理方法，該電漿處理裝置具備：對樣品進行電漿處理的處理室；高頻電源，其供給微波的高頻電力以產生電漿；用於產生磁場的線圈；使電流流過前述線圈的電源；用於載置前述樣品的樣品台；及屏蔽板，其屏蔽離子入射到前述樣品台，並且配置在前述樣品台上方； 該電漿處理方法之特徵為： 具有：使由前述微波與前述磁場的相互作用產生的電子迴旋共振區域的位置週期性地變化的工程； 在一個週期期間，前述電子迴旋共振區域的位置係從前述屏蔽板的上方移動到前述屏蔽板的下方或從前述屏蔽板的下方移動到前述屏蔽板的上方。
  10. 如請求項9之電漿處理方法，其中 藉由控制流過前述線圈的電流以使前述電子迴旋共振區域的位置週期性地變化。
  11. 如請求項9之電漿處理方法，其中 藉由控制前述高頻電源的頻率以使前述電子迴旋共振區域的位置週期性地變化。
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