CN113471047A - 边缘环及等离子体处理装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种边缘环及等离子体处理装置，该边缘环的耐等离子体性得到提高。该边缘环由包含碳化硼和碳化硅的材料构成，所述材料中含有的碳化硼的含量比为30％～50％。
Description
技术领域
本公开涉及一种边缘环及等离子体处理装置。
背景技术
在等离子体处理装置中，在放置在载置台上的基板的周缘处布置边缘环。边缘环用于通过将在晶圆上方产生的等离子体的分布区域扩大至晶圆外侧从而提高等离子体的均匀性。
近年来，为了延长边缘环的寿命，提出了采用刚性强于硅(Si)的碳化硅(SiC)作为边缘环的材料(例如参见专利文献1)。
<现有技术文献>
<专利文献>
专利文献1：(日本)特开2018-107433号公报
发明内容
<本发明要解决的问题>
本公开提供一种边缘环及等离子体处理装置，其能够提高耐等离子体性。
<用于解决问题的手段>
根据本公开的一个方案，提供一种边缘环，其由包含碳化硼和碳化硅的材料构成，所述材料中含有的碳化硼的含量比为30％～50％。
<发明的效果>
根据一个方案，能够提高耐等离子体性。
附图说明
图1是示出根据一个实施方式的等离子体处理装置的一个示例的剖面示意图。
图2是示出根据一个实施方式的在基板上形成的膜结构的一个示例的图。
图3是用于对关于根据一个实施方式的边缘环的消耗的实验进行说明的图。
图4是示出关于根据一个实施方式的边缘环的消耗的实验结果的一个示例的图。
图5是示出关于根据一个实施方式的边缘环的试验片的消耗的实验结果的一个示例的图。
图6是示出使用根据一个实施方式的边缘环的基板的蚀刻处理的实验结果的一个示例的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。在各附图中，针对相同的构成部分赋予相同的符号，并且有时会省略重复的说明。
[等离子体处理装置]
参照图1对根据一个实施方式的等离子体处理装置1进行说明。图1是示出根据一个实施方式的等离子体处理装置1的一个示例的剖面示意图。等离子体处理装置1具有腔室10。腔室10在其内部提供内部空间10s。腔室10包括腔室主体12。腔室主体12具有大致圆筒形的形状。内部空间10s设置在腔室主体12的内侧。腔室主体12例如由铝形成。在腔室主体12的内壁面上设置有具有耐腐蚀性的膜。具有耐腐蚀性的膜可以由矾土(氧化铝)、氧化钇等陶瓷形成，并且可以是进行了阳极氧化处理的氧化膜。
在腔室主体12的侧壁上形成有通路12p。当基板W在内部空间10s与腔室10的外部之间被搬送时，通过通路12p。通路12p能够利用闸阀12g进行打开或关闭。闸阀12g沿着腔室主体12的侧壁设置。
在腔室主体12的底部上设置有支承部13。支承部13由绝缘材料形成。支承部13具有大致圆筒形的形状。支承部13在内部空间10s中从腔室主体12的底部向上方延伸。在支承部13上，设置有包围基板W的周围的边缘环25(也称为聚焦环)。边缘环25具有大致环形的形状，并且由碳化硼(B4C)和碳化硅(SiC)的材料构成。
等离子体处理装置1还具有载置台14。载置台14被支承部13支承。载置台14设置在内部空间10s中。载置台14被构成为在腔室10内，即内部空间10s中对基板W进行支承。
载置台14具有下部电极18及根据一个示例性的实施方式的静电吸盘20。载置台14可以进一步具有电极板16。电极板16例如由铝等导体形成，并且具有大致圆盘形的形状。下部电极18设置在电极板16上。下部电极18例如由铝等导体形成，并且具有大致圆盘形的形状。下部电极18与电极板16电连接。下部电极18的外周面和电极板16的外周面被支承部13包围。
静电吸盘20设置在下部电极18上。静电吸盘20的电极经由开关20s与直流电源20p连接。当对电极施加来自直流电源20p的电压时，通过静电吸引力将基板W吸附在静电吸盘20上。静电吸盘20对基板W和边缘环25进行支承。
在下部电极18的内部设置有流路18f。经由管道22a从设置在腔室10外部的冷却器单元向流路18f供给热交换介质(例如制冷剂)。供给至流路18f的热交换介质经由管道22b返回到冷却器单元。在等离子体处理装置1中，通过热交换介质与下部电极18之间的热交换，对被放置在静电吸盘20上的基板W的温度进行调节。
在等离子体处理装置1中设置有气体供给管线24。气体供给管线24向静电吸盘20的上表面与基板W的下表面之间供给来自传热气体供给机构的传热气体(例如He气体)。
等离子体处理装置1进一步具有上部电极30。上部电极30设置在载置台14的上方。上部电极30经由部件32被支承在腔室主体12的上部。部件32由具有绝缘性的材料形成。上部电极30和部件32将腔室主体12的上部开口封闭。
上部电极30可以包括顶板34以及支承体36。顶板34的下表面为内部空间10s侧的下表面，并且划分出内部空间10s。顶板34可以由焦耳热较少的低电阻的导电体或半导体形成。在顶板34上形成有多个气体排出孔34a。多个气体排出孔34a在顶板34的厚度方向上贯穿顶板34。
支承体36以拆装自如的方式对顶板34进行支承。支承体36由铝等导电性材料形成。在支承体36的内部设置有气体扩散室36a。在支承体36上形成有多个气体孔36b。多个气体孔36b从气体扩散室36a向下方延伸。多个气体孔36b分别与多个气体排出孔34a连通。在支承体36上形成有气体导入口36c。气体导入口36c与气体扩散室36a连接。在气体导入口36c上连接有气体供给管38。
在气体供给管38上连接有包括气体源组40、流量控制器组44以及阀组42的气体供给部GS。气体源组40经由流量控制器组44和阀组42与气体供给管38连接。气体源组40包括多个气体源。阀组42包括多个开闭阀。流量控制器组44包括多个流量控制器。流量控制器组44的多个流量控制器中的各个流量控制器为质量流量控制器或压力控制式的流量控制器。气体源组40的多个气体源中的各个气体源经由流量控制器组44的相应的流量控制器和阀组42的相应的开闭阀与气体供给管38连接。电源70与上部电极30连接。电源70向上部电极30施加用于将存在于内部空间10s内的正离子吸引至顶板34的电压。
在等离子体处理装置1中，沿着腔室主体12的内壁面，以拆装自如的方式设置有屏蔽部件46。屏蔽部件46也设置在支承部13的外周处。屏蔽部件46用于防止蚀刻反应副产物等反应产物附着到腔室主体12上。屏蔽部件46例如通过在由铝形成的部件的表面上形成具有耐腐蚀性的膜而构成。具有耐腐蚀性的膜可以是矾土或氧化钇等氧化膜。
在支承部13与腔室主体12的侧壁之间设置有挡板48。挡板48例如通过在由铝形成的部件的表面上形成具有耐腐蚀性的膜而构成。具有耐腐蚀性的膜可以是矾土或氧化钇等氧化膜。在挡板48上形成有多个通孔。在挡板48的下方且在腔室主体12的底部设置有排气口12e。在排气口12e上经由排气管52连接有排气装置50。排气装置50具有压力调节阀和涡轮分子泵等真空泵。
等离子体处理装置1具有用于施加等离子体生成用的高频功率的第一高频电源62。第一高频电源62供给第一高频频率的功率，以便在腔室10内由处理气体生成等离子体。第一高频频率例如是27MHz～100MHz的范围内的频率。
第一高频电源62经由匹配器66与电极板16电连接。匹配器66具有匹配电路。匹配器66的匹配电路被构成为使第一高频电源62的负载侧(载置台14侧)的阻抗与第一高频电源62的输出阻抗匹配。在其他的实施方式中，第一高频电源62可以经由匹配器66与上部电极30电连接。
等离子体处理装置1进一步具有用于施加离子吸引用的高频功率的第二高频电源64。第二高频电源64供给频率低于第一高频频率的功率的第二高频频率的功率。第二高频频率的功率主要具有适合于将离子吸引至基板W的频率，例如是400kHz～13.56MHz的范围内的频率。或者，第二高频频率的功率可以是具有矩形波形的脉冲状的电压。
第二高频电源64经由匹配器68与电极板16电连接。匹配器68具有匹配电路。匹配器68具有匹配电路被构成为使第二高频电源64的负载侧(载置台14侧)的阻抗与第二高频电源64的输出阻抗匹配。
等离子体处理装置1还可以具有控制部80。控制部80可以是具有处理器、存储器等存储部、输入装置、显示装置、信号的输入输出接口等的计算机。控制部80对等离子体处理装置1的各个单元进行控制。在控制部80中，操作者能够使用输入装置进行命令的输入操作等操作以对等离子体处理装置1进行管理。另外，在控制部80中，能够通过显示装置以可视化的方式对等离子体处理装置1的工作状态进行显示。此外，在控制部80的存储部中存储有控制程序和配方数据。控制程序由控制部80的处理器执行以在等离子体处理装置1中执行各种处理。控制部80的处理器通过执行控制程序，并根据配方数据对等离子体处理装置1的各个单元进行控制，从而在等离子体处理装置1中执行例如等离子体处理方法等各种工艺。
[边缘环]
边缘环25布置于被放置在载置台14上的基板W的周缘处，并且在基板W的处理期间暴露于等离子体。例如，在使用硅(Si)作为边缘环25的材料的情况下，由于利用等离子体对基板W进行处理，使得边缘环25逐渐被消耗。边缘环25的消耗会对基板W的蚀刻特性产生影响，例如会使离子针对基板W的边缘区域的入射角倾斜等。因此，会将消耗到一定程度的边缘环更换为新的边缘环。
近年来，为了降低边缘环25的消耗并延长其寿命，提出了采用作为刚性强于硅(Si)的材料的碳化硅。在本实施方式中，为了进一步延长边缘环25的寿命，提出一种耐等离子体性较高的材料，该材料能够进一步降低边缘环25的消耗。
具体来说，根据本实施方式的边缘环25由包含碳化硅和碳化硼的材料构成。在根据本实施方式的边缘环25中，构成边缘环25的材料中含有的碳化硼的含量比为30％～50％。
[膜结构]
等离子体处理装置1在将由该材料构成的边缘环25布置在腔室10内的基板W的周缘处的状态下，对基板W上的氧化硅膜102和氮化硅膜103的层叠膜进行蚀刻处理。
参照图2对基板上的膜结构的一个示例进行说明。图2的左侧是示出根据一个实施方式的在基板W上形成的膜结构的一个示例的图。基板W具有在硅基板101上使氧化硅膜102(SiO2)和氮化硅膜103(SiN)交替地层叠一次或多次的膜结构。在最上部形成有掩膜104。掩膜104例如可以是多晶硅。氧化硅膜102可以是包含SiO2的SiOx。氧化硅膜102和氮化硅膜103的层叠可以从下部开始以氧化硅膜102→氮化硅膜103的顺序重复，也可以从下部开始以氮化硅膜103→氧化硅膜102的顺序重复。
在等离子体处理装置1中，基于给定的工艺条件利用等离子体对具有该膜结构的基板W进行蚀刻。图2的右侧示出了氧化硅膜102和氮化硅膜103的层叠膜经由掩膜104被蚀刻，并且在层叠膜中形成孔HL的状态。图2的右侧的底部关键尺寸(Btm CD：BottomCritical Dimension)示出了孔底部的直径的值。作为该处理的一个示例，可以举出DRAM制造时的HARC(High Aspect Ratio Contact：高深宽比接触)的蚀刻、NAND多级接触的蚀刻，但是不限于此。
通过由包含碳化硼和碳化硅的材料来构成边缘环25，从而与边缘环由硅构成的情况以及边缘环由碳化硅构成的情况相比，能够降低边缘环25的消耗率。以下，对关于边缘环25的消耗的实验及其结果进行说明。
[实验结果]
参照图3和图4对关于根据本实施方式的边缘环25的消耗的实验及实验结果进行说明。图3是用于对关于根据一个实施方式的边缘环25的消耗的实验进行说明的图。图4是示出关于根据另一个实施方式的边缘环25的消耗的实验结果的一个示例的图。
图3(a)是从上方对边缘环25进行观察的图。边缘环25的A-A剖面在图3(b)中示出。在本实验中，从图3(b)所示的边缘环25的径向上的内径侧开始依次对P1、P2、P3的位置(区域)处的边缘环25的消耗进行了测定。实验中使用的边缘环25的碳化硼的含量比为50％。
根据蚀刻前与蚀刻后的边缘环25的厚度的差值来计算出边缘环25的消耗。蚀刻前的边缘环25的厚度是边缘环25是新的边缘环的情况下的厚度。蚀刻后的边缘环25的厚度是在蚀刻期间暴露于等离子体而被消耗之后的边缘环25的厚度。
蚀刻前是指经处理的基板W的片数为0片的时刻，蚀刻后是至经处理的基板W的片数为预定片数的时刻。但是，也可以将蚀刻前设定为第一高频频率的功率的施加时间为0小时的时刻，将蚀刻后设定为第一高频频率的功率的施加时间为预定时间的时刻。在本实验中，通过将包含氟气体的处理气体供给至腔室10内，利用第一高频频率的功率对处理气体进行等离子体化，并且将利用等离子体对基板W进行的处理进行给定的片数或给定的施加时间，从而求出所消耗的边缘环25的消耗率。实验结果的一个示例在图4中示出。
图4的纵轴表示构成边缘环的各材料，横轴表示当以由硅(Si)构成的根据参考例的边缘环的消耗量作为100(％)时的各材料的边缘环的消耗率(％)。参考例是材料为硅(Si)的边缘环和材料为碳化硅(SiC)的边缘环。本实施方式是材料由碳化硼(B4C)和碳化硅(SiC)组成的边缘环25。(P1)～(P3)示出了图3(b)的位置P1～P3处的根据本实施方式的边缘环25的消耗率。需要说明的是，P1侧表示边缘环25的内径侧。
由此，关于根据本实施方式的边缘环25的位置P1～P3处的消耗率，虽然内径侧比外径侧略高，但是差别并不大。将本实施方式与参考例进行比较后可以看出，与参考例的由硅构成的边缘环相比，根据本实施方式的边缘环25的消耗率降低了40％，并且与由碳化硅构成的边缘环相比，根据本实施方式的边缘环25的消耗率也降低了不到20％。综上所述，根据本实施方式的边缘环25，通过由碳化硼和碳化硅构成，从而与参考例的由硅或碳化硅构成的边缘环相比，能够大幅地降低消耗率，并且能够提高耐等离子体性。
图5是示出关于根据本实施方式的边缘环25的试验片的消耗的实验结果的一个示例的图。本实验中使用的试验片由与根据本实施方式的边缘环25同样地由碳化硼和碳化硅的材料制成，并且在将其粘贴到基板W上的状态下将该基板W放置到等离子体处理装置1的载置台14上。
在本实验中，将包含氟气体的处理气体供给至腔室10内，并且供给在图4的实验中施加的第一高频频率的功率的40％的功率。除了第一高频频率的功率以外的工艺条件相同。将利用处理气体的等离子体对基板W进行的处理进行预定片数或预定施加时间，并且对暴露于等离子体的基板W上的试验片的消耗进行测定。其实验结果的一个示例在图5中示出。
图5的纵轴表示构成边缘环的各材料，图5的横轴表示当以材料由硅(Si)构成的根据参考例的边缘环的消耗量作为100(％)时的根据本实施方式的边缘环25的试验片的消耗率。针对粘贴在基板W上的试验片的材料中含有的碳化硼的含量比为50％的情况(B4C＝50％)、该碳化硼的含量比为30％的情况(B4C＝30％)这两种情况，对各试验片的消耗率进行了测定。
将图5的本实施方式与参考例进行比较后可以看出，关于根据本实施方式的边缘环25的试验片的消耗率，在碳化硼的含量比为50％的情况下，与由硅构成的参考例的边缘环相比，其降低了约28％，在碳化硼的含量比为30％的情况下，降低了约25％。
需要说明的是，在本试验片的实验中，由于施加了与在图4的实验中施加的第一高频频率的功率不同的功率，因此图4与图5在消耗率上存在差异，并且如果将施加功率设定为相同则消耗率变成几乎相同。
综上所述，根据由碳化硼和碳化硅的材料制成的本实施方式的边缘环25，与参考例的由硅的材料制成的边缘环相比，通过使碳化硼的含量比为30％～50％的范围，从而能够降低消耗率，并且能够提高耐等离子体性。因此，能够延长边缘环25的寿命，并且能够拉长更换周期，从而能够提高生产率。
[蚀刻特性]
接着，参照图6对在使用碳化硼和碳化硅作为边缘环25的材料的情况下的基板W的处理(例如蚀刻处理)的结果的一个示例进行说明。图6是示出在根据本实施方式的布置有边缘环25的等离子体处理装置1中执行的基板的蚀刻处理的实验结果的一个示例的图。在本蚀刻中，使用在基板W上形成有氮化硅膜103的基板。
图6(a)～图6(c)的横轴表示自直径300mm的基板(晶圆)W的中心起在径向上的0mm、75mm、135mm、145mm、147mm的位置。图6(a)的纵轴表示掩膜104的残留膜的厚度(以下称为“掩膜残留”)的状态。图6(b)示出了在氧化硅膜102中形成的孔部的弯曲形状(孔HL(参见图2)等凹部的侧壁的扩宽)的状态。图6(c)示出了孔部底部的底部关键尺寸(Btm CD)(参见图2)。
在图6(a)～图6(c)中，D的条形图示出了在将材料为碳化硅的根据参考例的边缘环布置在基板W的周缘的情况下的掩膜残留(掩膜的残留量(图6(a)))、弯曲形状(图6(b))、底部关键尺寸(图6(c))。E的条形图示出了在将使用碳化硼和碳化硅作为材料的根据本实施方式的边缘环25布置在基板W的周缘的情况下的掩膜残留、弯曲形状、底部关键尺寸。
由此，如图6(a)～图6(c)所示，在使用根据参考例的边缘环的情况(D的条形图)和使用根据本实施方式的边缘环25的情况(E的条形图)下，掩膜残留、弯曲形状、底部关键尺寸均显示出大致相同的蚀刻特性。
如上所述可以看出，使用碳化硼和碳化硅作为材料的根据本实施方式的边缘环25显示出与利用了使用碳化硅作为材料的边缘环的情况相同的蚀刻特性。换言之，在使用碳化硼和碳化硅作为材料的根据本实施方式的边缘环25中，与使用硅或碳化硅作为材料的边缘环相比，能够提高耐等离子体性，而不会使蚀刻特性恶化。由此，在根据本实施方式的边缘环25中，与利用了使用参考例的材料的边缘环的情况相比，能够降低在相同时间程度上暴露于等离子体而消耗的边缘环25的消耗量。
如上所述，根据本实施方式的边缘环25，能够提高耐等离子体性。特别地，当对氧化硅膜102和氮化硅膜103的层叠膜进行蚀刻时能够进一步提高耐等离子体性。
应当认为，根据本次公开的一个实施方式的边缘环及等离子体处理装置在所有方面均是示例性的，而非限制性的。在不脱离所附的权利要求书及其主旨的情况下，可以对上述实施方式以各种方式进行变形及改进。对于上述多个实施方式所记载的内容，在不产生矛盾的情况下也可以采用其他结构，并且在不产生矛盾的情况下可以进行组合。
本公开的等离子体处理装置可以应用于原子层沉积(ALD：Atomic LayerDeposition)装置、电容耦合等离子体(CCP：Capacitively Coupled Plasma)、电感耦合等离子体(ICP：Inductively Coupled Plasma)、径向线缝隙天线(RLSA：Radial Line SlotAntenna)、电子回旋共振等离子体(ECR：Electron Cyclotron Resonance Plasma)、以及螺旋波等离子体(HWP：Helicon Wave Plasma)中的任意类型的装置。
Claims (4)
1.一种边缘环，其由碳化硼和碳化硅的材料构成，
所述材料中含有的碳化硼的含量比为30％～50％。
2.根据权利要求1所述的边缘环，其中，
所述边缘环被用于等离子体处理装置。
3.根据权利要求2所述的边缘环，其中，
在将所述边缘环布置于所述等离子体处理装置内部的基板的周缘的状态下，在对形成在所述基板上的氧化硅膜和氮化硅膜的层叠膜进行蚀刻的处理期间将所述边缘环暴露于等离子体。
4.一种等离子体处理装置，包括：
腔室；
载置台，用于放置基板；以及
边缘环，布置于被放置在所述载置台上的基板的周缘，
其中，所述边缘环由包含碳化硼和碳化硅的材料构成，
所述材料中含有的碳化硼的含量比为30％～50％。
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