DE10102745C2

DE10102745C2 - Verfahren zur Reinigung eines CVD-Reaktors

Info

Publication number: DE10102745C2
Application number: DE2001102745
Authority: DE
Inventors: Georg Schulze-Icking; Werner Steinhoegl; Alfred Kersch
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2003-06-12
Anticipated expiration: 2021-01-23
Also published as: DE10102745A1

Description

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zur Reinigung eines CVD-Reaktors (Chemical Vapour Deposition) mit den Schritten:

- Einleiten eines fluorhaltigen Gases durch einen Vorkammer einlaß in eine erste Plasma-Erzeugungskammer;
- Zersetzen des fluorhaltigen Gases in der ersten Plasma-Er zeugungskammer, wobei Fluor-Radikale gebildet werden;
- Einleiten des zersetzten, Fluor-Radikale enthaltenden Gases durch einen Kammereinlaß in eine Reaktionskammer;
- Erzeugen eines Plasmas in der Reaktionskammer durch Ioni sieren des eingeleiteten Gases mittels einer Plasma-Erzeu gungsvorrichtung und
- ionenunterstütztes Ätzen einer auf der Kammerwand angeord neten Verunreinigungsschicht derart, daß sich an der Kam merwand eine selbstinduzierte Vorspannung einstellt, mit welcher die Ätzung unterstützende positive Ionen in Rich tung auf die Kammerwand beschleunigt werden.

Ein solches Verfahren ist aus EP 0697467 bekannt. Weitere Verfahren zur Reinigung eines Reaktors sind aus DE 41 32 559 und US 5,356,478 bekannt.

In der Produktion mikroelektronischer und mikromechanischer Bauelemente werden CVD-Reaktoren zur Abscheidung von Schich ten verwendet. Hierzu wird üblicherweise ein Precursor-Gas (Ausgangsgas) in den CVD-Reaktor eingeleitet und es findet eine chemische Reaktion in dem Reaktor statt, wobei sich die abzuscheidende Schicht auf einer Strukturoberfläche bildet. Zusätzlich kommt es zu einer unerwünschten Schichtabscheidung auf einer Kammerwand des CVD-Reaktors. Die zum Reinigen des CVD-Reaktors benötigte Zeit hat inzwischen eine Größenordnung erreicht, welche die Produktivität der CVD-Anlage mitbe stimmt.

Wird beispielsweise eine Siliziumoxidschicht auf einem Sub strat in einem CVD-Reaktor abgeschieden, so bildet sich eben falls eine Siliziumoxidschicht auf der Kammerwand des CVD- Reaktors. Zur Reinigung der aus Siliziumoxid bestehenden Ver unreinigungsschicht auf der Kammerwand des CVD-Reaktors, sind Fluorradikale geeignet, die durch die Zersetzung von fluor haltigen Gasen erzeugbar sind. Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Reinigung verursachen hohe Kosten aufgrund des hohen Reinigungsgasbedarfs sowie eine verringer te Produktivität der CVD-Reaktoren durch lange Reinigungs schritte.

Das Ätzen einer Siliziumoxidkontamination der CVD-Kammerwand erfolgt gemäß dem Stand der Technik heute hauptsächlich durch Fluorradikale, welche durch Zersetzung eines fluorhaltigen Gases entstehen. An der Kammerwand reagiert Siliziumdioxid in Verbindung mit Fluor zu Siliziumfluorid und Sauerstoff. Sili ziumfluorid und Sauerstoff sind gasförmige Reaktionsprodukte und werden abgepumpt. Aus H. H. LEE, Fundamentals of Micro electronic Processing, pp 403, ist bekannt, daß die Ätzrate von Siliziumoxid durch gleichzeitigen Beschuß der Siliziu moxid-Oberfläche mit Ionen gesteigert werden kann.

Das eingangs beschriebene Verfahren aus EP 0697467 hat den Nachteil, daß die durch die erzeugten Radikale bewirkte Ätz reaktion nur in begrenztem Ausmaß durch Ionen, die im Plasma erzeugt werden, unterstützt wird. Zum einen ist die Leistung, die in die Reaktionskammer sowie in die vorgeschaltete Plasma-Erzeugungskammer zur Plasmaerzeugung eingespeist wird, sehr gering. Zum anderen ist die in die Reaktionskammer ein gespeiste Leistung noch kleiner als die in die Plasma-Erzeu gungskammer eingespeiste Leistung. Da geladene Ionen, die in der Plasma-Erzeugungskammer gebildet werden, aufgrund ihrer Ladung den Kammereinlaß in die Reaktionskammer nicht passie ren können, tragen in der Plasma-Erzeugungskammer erzeugte Ionen nicht zur ionenunterstützen Ätzung bei.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen CVD-Reaktors mit ei ner verkürzten Reinigungszeit und ein Verfahren zu seiner Reinigung anzugeben.

Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, daß zum Erzeugen des Plasmas eine Leistung von mehr als 2 Kilowatt und weniger als 20 Kilowatt in die Reaktions kammer eingekoppelt wird und daß zum Zersetzen des fluorhal tigen Gases eine Leistung von mehr als 1 Kilowatt und weniger als 10 Kilowatt in die erste Plasma-Erzeugungskammer einge koppelt wird.

Die externe Plasma-Erzeugungskammer sorgt für eine hohe Ioni sationsrate des eingeleiteten Ätzgases und erzeugt Fluorradi kale aus dem eingeleiteten Ausgangsgas. Zusätzlich wird in der Reaktionskammer mittels der Plasma-Erzeugungsvorrichtung ein Plasma erzeugt, wodurch das Reinigungsgas zusätzlich io nisiert wird und zusätzliche Fluorradikale gebildet werden. Die zusätzlichen Fluorradikale weisen den Vorteil auf, daß die Verunreinigungsschicht mit einer erhöhten Ätzrate abge tragen wird. Dabei wird das Siliziumoxid der Verunreinigungs schicht mittels der Fluorradikale in Siliziumfluorid und Sau erstoff umgewandelt. Es stellt sich ein sogenannter Self-Bias (selbstinduzierte Vorspannung) ein, welcher die Kammerwand negativ auflädt, so daß positiv geladene Ionen aus dem Plasma zur Kammerwand hin beschleunigt werden und dort auf die Ver unreinigungsschicht treffen. Durch das Auftreffen der Ionen wird die Reinigung der Kammerwand beschleunigt, da die Verun reinigungsschicht mit einer erhöhten Abtragsrate abgetragen wird. Der Self-Bias entsteht aufgrund der unterschiedlichen Masse zwischen Elektronen und Ionen des Plasmas, wodurch die Kammerwand negativ aufgeladen wird und eine Randschicht ent steht, in der ein elektrisches Feld besteht. Aufgrund des elektrischen Feldes werden positiv geladene Ionen aus dem Plasma zur Kammerwand hin beschleunigt.

In der Reaktionskammer wird das fluorhaltige Gas ionisiert, wodurch der Anteil an Fluorradikalen, welcher für die Ätzrate der Verunreinigungsschicht verantwortlich ist, erhöht wird. Das in einer Randschicht an der Kammerwand der Reaktionskam mer gebildete elektrische Feld beschleunigt positive Ionen in Richtung der negativ geladenen Kammerwand. Durch die höhere Ionisationsrate und die höhere Rate an Fluorradikalen wird das Ätzgas effektiver genutzt, wodurch die Prozeßkosten redu ziert werden, da sowohl eine beschleunigte Ätzung der Verun reinigungsschicht stattfindet als auch ein geringerer Ätzmit telbedarf besteht. Weiterhin werden die Kosten für die Reini gung gesenkt, da die für die Reinigung benötigte Zeit redu ziert ist.

Der Ionisationsgrad des ionisierten Gases in der Reaktions kammer wird mittels der Plasma-Erzeugungsvorrichtung erhöht. Die Erhöhung des Ionisationsgrades führt zu einer effektive ren Ausnutzung des eingeleiteten Ätzgases. Hierbei wird auch der Anteil der Fluorradikale erhöht.

Das ionenunterstützte Ätzen bedeutet, daß beispielsweise Ar gonionen aus dem in der Reaktionskammer angeordneten Plasma in Richtung der Kammerwand der Reaktionskammer beschleunigt werden und dort auf die Verunreinigungsschicht treffen. Da durch wird die Verunreinigungsschicht mit einer erhöhten Ätz rate abgetragen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß zum Erzeugen des Plasmas ei ne Leistung von 5 Kilowatt in die Reaktionskammer eingekop pelt wird und daß zum Zersetzen des fluorhaltigen Gases eine Leistung von 3 Kilowatt in die erste Plasma-Erzeugungskammer eingekoppelt wird.

In der Reaktionskammer wird ein Druck erzeugt, welcher zwi schen 1 und 50 Pascal, vorzugsweise 10 Pascal beträgt.

Als fluorhaltiges Gas kann NF3, CF4, C2F6, C3F8, C4F8 oder SF6 in die erste Plasma-Erzeugungskammer eingeleitet und ein inertes Gas durch einen zusätzlichen Einlaß in die Reaktions kammer geleitet werden. Es kann ein zweiter Einlaß an der Re aktionskammer angeordnet sein, durch den inertes Gas wie Ar gon in die Reaktionskammer einbringbar ist. Das zusätzlich einbringbare inerte Gas unterstützt ein in der Prozeßkammer erzeugtes Plasma.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß Argon in die Reaktionskammer geleitet wird, so daß Argonionen in Richtung auf die Kammer wand beschleunigt werden.

In der externen Plasmakammer oder in der Reaktionskammer wer den Fluorradikale erzeugt. Die Erzeugung von Fluorradikalen ermöglicht eine erhöhte Ätzrate der Verunreinigungsschicht.

In der Reaktionskammer können ein Substrathalter und ein Duschkopf (shower head) angeordnet sein. Der Substrathalter dient dazu, ein Substrat bzw. einen Wafer aufzunehmen; der Duschkopf dient dazu, ein Prozeßgas für die Abscheidung einer Schicht auf dem Wafer in die Reaktionskammer einzuleiten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur erläutert.

Die Figur zeigt eine CVD-Reaktionskammer mit einer externen Plasma-Erzeugungskammer.

In der Figur ist eine Reaktionskammer 1 dargestellt. Bei der Reaktionskammer 1 handelt es sich beispielsweise um einen CVD-Reaktor, der zum Abscheiden von Schichten auf einem Halb leitersubstrat geeignet ist. Neben dem Reaktor 1 ist eine Plasma-Erzeugungsvorrichtung 2 vorgesehen. Die Plasma- Erzeugungsvorrichtung 2 dient dazu, ein Plasma in der Reakti onskammer 1 zu erzeugen. Die Reaktionskammer 1 weist eine Kammerwand 9 auf, auf der eine Verunreinigungsschicht 4 ange ordnet ist. Die Verunreinigungsschicht 4 entsteht an der Kam merwand während des Abscheidens einer Schicht auf einem Sub strat. Dazu wird das Substrat auf einem Substrathalter 10 an geordnet, der in der Reaktionskammer 1 vorgesehen ist. Für die Abscheidung der Schicht 4 werden Precursor-Gase (Aus gangsgase) durch einen Duschkopf 11 (shower head) in die Re aktionskammer 1 eingeleitet. Zusätzlich ist an der Reaktions kammer 1 ein Kammereinlaß 5 und ein Auslaß 7 angeordnet. An dem Kammereinlaß 5 ist eine externe Plasma-Erzeugungskammer 3 mit der Reaktionskammer 1 verbunden. Die externe Plasma- Erzeugungskammer 3 weist einen Vorkammereinlaß 6 auf, durch den ein Ätzgas zur Reinigung in die externe Plasma- Erzeugungskammer 3 einleitbar ist. Zusätzlich ist ein weite rer Einlaß 8 an der Reaktionskammer 1 angeordnet, durch den ein inertes Gas in die Reaktionskammer 1 einleitbar ist.

Zur Reinigung der Reaktionskammer 1 wird ein fluorhaltiges Gas 12 durch den Vorkammereinlaß 6 in die externe Plasmakam mer 3 eingeleitet. In der externen Plasmakammer 3 entstehen Fluorradikale. In der Reaktionskammer 1 wird mittels der Plasma-Erzeugungsvorrichtung 2 ein weiteres Plasma erzeugt. Durch das Plasma wird der Ionisationsgrad und der Anteil der Fluorradikale erhöht. Dadurch wird die Ätzabtragsrate der Verunreinigungsschicht 4 erhöht, was zu einer verkürzten Rei nigungszeit führt.

Als fluorhaltiges Gas sind zum Beispiel NF3, CF4, C2F6, C3F8, C4F8 und SF6 geeignet. Es wird ein Druck zwischen 1 und 50 Pa in der Reaktionskammer 1 eingestellt. Besonders vorteilhaft ist ein Druck von 10 Pa. Die in die externe Plasma- Erzeugungskammer eingekoppelte Leistung liegt zwischen 1 und 10 kW, wobei ein Wert von 3 kW besonders geeignet ist. Die in die Reaktionskammer 1 eingekoppelte Leistung zur Plasmaerzeu gung beträgt zwischen 2 und 20 kW, wobei sich ein Wert von 5 kW als besonders vorteilhaft herausgestellt hat.

Wird auf die zusätzliche Plasmaerzeugung mittels der Plasma- Erzeugungsvorrichtung 2 in der Reaktionskammer 1 verzichtet, so beträgt der Anteil der aktiven Fluorradikale zu den übri gen Fluorverbindungen nur etwa 35%. Dies bedeutet, daß durch die zusätzlich durchgeführte Plasmaerzeugung in der Reakti onskammer 1 die Ionisationsrate und der Anteil der Fluorradi kale um den Faktor 3 auf 100% gesteigert werden kann. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Fluorausnutzung und der Ätz geschwindigkeit bis zu einem Faktor 3. Weiterhin wird durch das in der Reaktionskammer 1 erzeugte Plasma ein Self-Bias (selbstinduzierte Spannung) in einer Randschicht der Reakti onskammer 1 erzeugt, wodurch positiv geladene Ionen zur Kam merwand beschleunigt werden und dort zu einem effizienteren Ätzen der Verunreinigungsschicht 4 führen.

Zum einen werden durch das erfindungsgemäße Verfahren die Er zeugung der Fluorradikale in einer externen Plasma- Erzeugungskammer mit der Erzeugung von Fluorradikalen in der Reaktionskammer kombiniert und es wird zusätzlich der Effekt des ionenunterstützten Ätzens ausgenutzt, wodurch die Ätzrate erhöht wird und der Ätzmittelverbrauch gesenkt wird.

Bezugszeichenliste

1

Reaktionskammer

2

Plasma-Erzeugungsvorrichtung

3

externe Plasma-Erzeugungskammer

4

Verunreinigungsschicht

5

Kammereinlaß

6

Vorkammereinlaß

7

Auslaß

8

weiterer Einlaß

9

Kammerwand

10

Substrathalter

11

Duschkopf

12

fluorhaltiges Gas

13

plasmahaltiges Gas

Claims

1. Verfahren zur Reinigung eines CVD-Reaktors mit den Schritten:

- Einleiten eines fluorhaltigen Gases (12) durch einen Vor kammereinlaß (6) in eine erste Plasma-Erzeugungskammer (3);
- Zersetzen des fluorhaltigen Gases (12) in der ersten Plas ma-Erzeugungskammer (3), wobei Fluor-Radikale gebildet wer den;
- Einleiten des zersetzten, Fluor-Radikale enthaltenden Gases (13) durch einen Kammereinlaß (5) in eine Reaktionskammer (1);
- Erzeugen eines Plasmas in der Reaktionskammer (1) durch Io nisieren des eingeleiteten Gases (13) mittels einer Plasma- Erzeugungsvorrichtung (2) und
- ionenunterstütztes Ätzen einer auf der Kammerwand (9) ange ordneten Verunreinigungsschicht (4) derart, daß sich an der Kammerwand eine selbstinduzierte Vorspannung einstellt, mit welcher die Ätzung unterstützende positive Ionen in Rich tung auf die Kammerwand (9) beschleunigt werden,

dadurch gekennzeichnet, daß
zum Erzeugen des Plasmas eine Leistung von mehr als 2 Kilo watt und weniger als 20 Kilowatt in die Reaktionskammer (1) eingekoppelt wird und daß zum Zersetzen des fluorhaltigen Ga ses (12) eine Leistung von mehr als 1 Kilowatt und weniger als 10 Kilowatt in die erste Plasma-Erzeugungskammer (3) ein gekoppelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daß zum Erzeugen des Plasmas eine Leistung von 5 Kilowatt in die Reaktionskammer (1) eingekoppelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß daß zum Zersetzen des fluorhaltigen Gases (12) eine Leistung von 3 Kilowatt in die erste Plasma-Erzeugungskammer (3) ein gekoppelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionskammer (1) ein Druck erzeugt wird, welcher zwischen 1 und 50 Pascal, vorzugsweis 10 Pascal beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als fluorhaltige Gas NF3, CF4, C2F6, C3F8, C4F8 oder SF6 in die erste Plasma-Erzeugungskammer (3) eingeleitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß daß ein inertes Gas durch einen zusätzlichen Einlaß (8) in die Reaktionskammer (1) geleitet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß daß Argon in die Reaktionskammer (1) geleitet wird, so daß Argonionen in Richtung auf die Kammerwand (9) beschleunigt werden.