DE102022126073A1

DE102022126073A1 - Process stability through deposition

Info

Publication number: DE102022126073A1
Application number: DE102022126073.9A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-10-10
Filing date: 2022-10-10
Publication date: 2024-04-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (50) zum Stabilisieren eines Abscheidungs- oder Ätzprozesses bei Substraten (30) in einem Prozessreaktor (10). Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt (52) ein Unterdruck in einer Reaktionskammer (14) des Prozessreaktors (10) erzeugt. Anschließend wird in einem Schritt (54) ein Plasmagases in die Reaktionskammer (14) eingeführt. In einem dritten Verfahrensschritt (56) wird ein Plasma aus dem Plasmagas in einem hochfrequenten elektrischen Wechselfeld zwischen zwei Elektroden (18, 20) erzeugt, welches das Plasmagas durchdringt. In einem Verfahrensschritt wird ein Reinigungsgas (66) in die Reaktionskammer (14) zum Reagieren mit den Reaktionskammerflächen (40) eingeführt. Anschließend wird das Reinigungsgas (68) aus der Reaktionskammer (14) evakuiert. Ferner betrifft die Erfindung einen Prozessreaktor (10) für einen plasmagestützten Abscheidungs- oder Ätzprozesses zur Bearbeitung von Substraten (30) zur Durchführung eines solchen Verfahrens (50).The invention relates to a method (50) for stabilizing a deposition or etching process for substrates (30) in a process reactor (10). In a first method step (52), a negative pressure is generated in a reaction chamber (14) of the process reactor (10). Then, in a step (54), a plasma gas is introduced into the reaction chamber (14). In a third method step (56), a plasma is generated from the plasma gas in a high-frequency alternating electric field between two electrodes (18, 20), which penetrates the plasma gas. In a method step, a cleaning gas (66) is introduced into the reaction chamber (14) to react with the reaction chamber surfaces (40). Then, the cleaning gas (68) is evacuated from the reaction chamber (14). The invention further relates to a process reactor (10) for a plasma-assisted deposition or etching process for processing substrates (30) for carrying out such a method (50).

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stabilisieren eines Abscheidungs- oder Ätzprozesses bei Substraten in einem Prozessreaktor mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Erzeugen eines Unterdrucks in einer Reaktionskammer des Prozessreaktors,
b) Einführen eines Plasmagases in die Reaktionskammer,
c) Erzeugen eines Plasmas aus dem Plasmagas in einem hochfrequenten elektrischen Wechselfeld zwischen zwei Elektroden, welches das Plasmagas durchströmt
d) Einführen eines Reinigungsgases (66) in die Reaktionskammer (14) zum Reagieren mit den Reaktionskammerflächen (40),
e) Evakuieren des Reinigungsgases (68) aus der Reaktionskammer (14).

The invention relates to a method for stabilizing a deposition or etching process for substrates in a process reactor with the following method steps:

a) generating a negative pressure in a reaction chamber of the process reactor,
b) introducing a plasma gas into the reaction chamber,
c) Generating a plasma from the plasma gas in a high-frequency alternating electric field between two electrodes, which flows through the plasma gas
d) introducing a cleaning gas (66) into the reaction chamber (14) to react with the reaction chamber surfaces (40),
e) evacuating the cleaning gas (68) from the reaction chamber (14).

Die Erfindung betrifft ferner einen Prozessreaktor für einen plasmagestützten Abscheidungs- oder Ätzprozess zur Bearbeitung von Substraten.The invention further relates to a process reactor for a plasma-assisted deposition or etching process for processing substrates.

BeschreibungDescription

Prozessreaktoren kommen in der Plasma-Ätztechnik (ALE) bzw. plasmaunterstützten Abscheidung (PEALD) von einzelnen Atomlagen auf einem Substrat zum Einsatz. Bei der Abscheidung werden die einzelnen Atomschichten auf dem Substrat, wie z.B. einem Halbleiter, mit dem ALD- (=Atomic Layer Disposition) bzw. mit dem PEALD-Verfahren (=Plasma Enhanced ALD) aufgebracht. Hierdurch können kleinste Strukturen bzw. Dotierungen auf einem Substrat, wie sie bei der industriellen Chipherstellung erforderlich sind, erzeugt werden.Process reactors are used in plasma etching technology (ALE) or plasma-enhanced deposition (PEALD) of individual atomic layers on a substrate. During deposition, the individual atomic layers are applied to the substrate, such as a semiconductor, using the ALD (=Atomic Layer Disposition) or PEALD (=Plasma Enhanced ALD) process. This enables the smallest structures or doping to be created on a substrate, as is required in industrial chip production.

In der PEALD-Technik reagiert das Substrat in einer sequentiellen Abfolge mit geeigneten Reaktionspartnern, auch „Precursor“ genannt. Die sequentielle Abfolge erlaubt eine genaue Kontrolle der Schichtdicke der Atomlagen.In the PEALD technique, the substrate reacts in a sequential sequence with suitable reaction partners, also called “precursors”. The sequential sequence allows precise control of the layer thickness of the atomic layers.

Das PEALD-Verfahren lässt sich vereinfacht wie folgt beschreiben: Zunächst wird die gereinigte Oberfläche des Substrats in der Reaktionskammer des Prozessreaktors einem ersten Reaktionspartner ausgesetzt (meist ohne Plasma). Bei dem Substrat handelt es sich oft um einen scheibenförmigen Halbleiter, auch Wafer genannt. Es ist hierbei erforderlich, dass die Adsorption an der Oberfläche durch einen selbstlimitierenden Prozess gesteuert wird. Die Wahl des geeigneten Precursors (Reaktionspartner) ist entscheidend. Damit wird vermieden, dass nicht mehr als eine Monolage des ersten Reaktionspartners, unabhängig von der Menge angebotenen Gases, adsorbiert wird. Anschließend werden die Reste des ersten Reaktionspartners aus der Reaktionskammer des Prozessreaktors gespült bzw. mit einer Pumpe abgepumpt. Dies verhindert eine Gasphasenreaktion mit einem zweiten Reaktionspartner. Letzterer wird in einem weiteren Schritt über die Substratoberfläche geleitet und bei der klassischen ALD über thermische Energie zur Reaktion gebracht. Danach ist in der Regel wiederum ein sogenannter Spülzyklus im Prozessreaktor erforderlich.The PEALD process can be described in simplified terms as follows: First, the cleaned surface of the substrate is exposed to a first reaction partner in the reaction chamber of the process reactor (usually without plasma). The substrate is often a disk-shaped semiconductor, also called a wafer. It is necessary that the adsorption on the surface is controlled by a self-limiting process. The choice of the appropriate precursor (reaction partner) is crucial. This avoids that no more than one monolayer of the first reaction partner is adsorbed, regardless of the amount of gas available. The remains of the first reaction partner are then flushed out of the reaction chamber of the process reactor or pumped out with a pump. This prevents a gas phase reaction with a second reaction partner. The latter is passed over the substrate surface in a further step and, in classic ALD, is made to react using thermal energy. After that, a so-called flushing cycle in the process reactor is usually required.

Die Reaktivität der Reaktionspartner mit dem Substrat kann signifikant erhöht werden, indem ein Plasma zum Einsatz kommt. Das Plasma entsteht durch z.B. die Wechselwirkung eines elektrischen Wechselfeldes in einem kapazitiv gekoppelten System.The reactivity of the reaction partners with the substrate can be significantly increased by using a plasma. The plasma is created, for example, by the interaction of an alternating electric field in a capacitively coupled system.

Bei diesem Verfahren ist es wünschenswert, dass die Reaktionspartner mit dem Substrat zeitlich und auch räumlich möglichst uniform bzw. gleichmäßig reagieren können. Die PEALD-Anlagentechnik ist naturgemäß komplex, da die Gasführungs- und andere flowdynamische Systeme auch der uniformen Einkopplung von RF-Leistung (RF=Hochfrequenz) entsprechen müssen.In this process, it is desirable that the reactants can react with the substrate as uniformly and evenly as possible in terms of time and space. PEALD system technology is naturally complex, as the gas supply and other flow dynamic systems must also correspond to the uniform coupling of RF power (RF = high frequency).

Das Ätzen von Atomschichten ALE (=Atomic Layer Etching) ist eine Technik, bei der eine Abfolge zwischen möglichst selbstbegrenzenden chemischen Modifikationsschritten, die nur die obersten Atomschichten des Substrats betreffen, und Ätzschritten, die nur die chemisch modifizierten Bereiche entfernen, die Entfernung einzelner Atomschichten ermöglicht. Dieses Verfahren macht ein komplexes Gashandling für Abtragsraten einer Atomschicht erforderlich.Atomic layer etching (ALE) is a technique in which a sequence of chemical modification steps that are as self-limiting as possible and affect only the topmost atomic layers of the substrate and etching steps that remove only the chemically modified areas enables the removal of individual atomic layers. This process requires complex gas handling for removal rates of an atomic layer.

Für die PEALD Abscheidung und die ALE Ätzung in einem Prozessreaktor ist die Reproduzierbarkeit ein nicht unerheblicher Faktor bei der Massenherstellung von Halbleiterchips. Die in die Reaktionskammer des Prozessreaktors eingebrachten Gase bzw. Gasgemische reagieren nicht nur mit Substrat, sondern auch mit anderen Flächen der Reaktionskammer, wie z.B. Reaktionskammerwänden. An diesen Flächen lagern sich die Gasmoleküle u.U. ab oder lösen sich von dort.For PEALD deposition and ALE etching in a process reactor, reproducibility is a significant factor in the mass production of semiconductor chips. The gases or gas mixtures introduced into the reaction chamber of the process reactor react not only with the substrate, but also with other surfaces of the reaction chamber, such as the reaction chamber walls. The gas molecules may settle on these surfaces or detach from them.

Das Reagieren, Ablagern und Lösen von Molekülen führt jedoch dazu, dass die für die PEALD-Abscheidung und die ALE-Ätzung wichtige Reinheit des Gases bzw. des Gasgemisches in dem Prozessreaktor nicht mehr bei jedem einzelnen Abscheidungs- bzw. Ätz-Prozesse an den Substraten gewährleistet werden kann. Es kommt somit zu einem instabilen Abscheidungs- bzw. Ätz-Prozess in der Reaktionskammer, was die Reproduzierbarkeit des tatsächlichen Prozessablaufs für ein Substrat durch die unterschiedlichen Bedingungen verschlechtert.However, the reaction, deposition and dissolution of molecules means that the purity of the gas or gas mixture in the process reactor, which is important for PEALD deposition and ALE etching, can no longer be guaranteed for each individual deposition or etching process on the substrates. This leads to an unstable deposition or etching process in the reaction chamber, which impairs the reproducibility of the actual process sequence for a substrate. worsened by the different conditions.

Stand der TechnikState of the art

Aus der DE 10 2020 127 014 A1 ist bekannt, dass zwischen den Gaseinlässen der Ausgangsverbindungen die Reaktionskammer mit einem Reinigungsgas, insbesondere einem Inertgas wie etwa Argon oder Stickstoff, gespült werden kann, so dass sich vor jedem Einlass einer Ausgangsverbindung auf vorteilhafte Weise keine vorherige Ausgangsverbindung mehr in der Reaktionskammer befindet. Auf diese Weise können die Teilreaktionen klar voneinander getrennt und auf die dafür vorgesehene Oberfläche begrenzt werden. Ein wesentliches Merkmal der Atomlagenabscheidung ist damit der selbstbegrenzende Charakter der Teilreaktion, was bedeutet, dass die Ausgangsverbindung einerTeilreaktion nicht mit sich selbst oder Liganden von sich selbst reagiert, was das Schichtwachstum einer Teilreaktion auch bei beliebig langer Zeit und Gasmenge auf maximal eine Monolage begrenzt. Enthält die herzustellende Schicht mehr als zwei Bestandteile kann es auch von Bedeutung sein, welche Ausgangsverbindung zuerst zugeführt wird. So kann es beispielsweise im Fall von ITO als herzustellendem Material vorteilhafter sein, wenn zuerst zumindest einen In₂O₃-Monolage aufgebracht wird, als wenn zuerst zumindest eine SnO₂-Monolage aufgebracht wird.From the EN 10 2020 127 014 A1 It is known that the reaction chamber can be flushed with a cleaning gas, in particular an inert gas such as argon or nitrogen, between the gas inlets of the starting compounds, so that in an advantageous manner no previous starting compound is left in the reaction chamber before each inlet of a starting compound. In this way, the partial reactions can be clearly separated from one another and limited to the surface provided for them. An essential feature of atomic layer deposition is therefore the self-limiting nature of the partial reaction, which means that the starting compound of a partial reaction does not react with itself or with its own ligands, which limits the layer growth of a partial reaction to a maximum of one monolayer, even for any length of time and gas quantity. If the layer to be produced contains more than two components, it can also be important which starting compound is added first. For example, in the case of ITO as the material to be produced, it can be more advantageous if at least one In ₂ O ₃ monolayer is applied first than if at least one SnO ₂ monolayer is applied first.

Die DE 21 2018 000 277 U1 beschreibt insbesondere eine Prozesskammer, die ein Kammerreinigungssystem aufweist. Das Kammerreinigungssystem weist eine entfernte Plasmaquelle, eine Isolationsmanschette, die an die Plasmaquelle gekoppelt ist, und eine Reinigungsgas- (d.h. Spülgas-) Quelle, die fluidisch mit der Plasmaquelle gekoppelt ist, auf. Die Reinigungsgasquelle kann jedes Gas aufweisen, das zur Bildung eines Plasmas geeignet ist, um die Prozesskammer zu reinigen. Typischerweise wird ein Reinigungsgas durch einen Gasdispersionskanal und eine Reaktionszone geleitet, nachdem ein erstes Gas am Gasdispersionskanal durch das Gaszufuhrsystem bereitgestellt wurde, um das erste Gas schnell aus dem Gasdispersionskanal und der Reaktionszone zu spülen. The DE 21 2018 000 277 U1 describes a process chamber having a chamber cleaning system. The chamber cleaning system includes a remote plasma source, an isolation sleeve coupled to the plasma source, and a cleaning gas (i.e., purge gas) source fluidly coupled to the plasma source. The cleaning gas source may include any gas suitable for forming a plasma to clean the process chamber. Typically, a cleaning gas is passed through a gas dispersion channel and a reaction zone after a first gas is provided to the gas dispersion channel by the gas delivery system to rapidly purge the first gas from the gas dispersion channel and reaction zone.

Anschließend wird ein zweites Gas durch das Gaszufuhrsystem am Gasdispersionskanal bereitgestellt und das Reinigungsgas wird wieder durch den Gasdispersionskanal zu der Reaktionszone geleitet, um das zweite Gas schnell aus dem Gasdispersionskanal und der Reaktionszone zu spülen. Es kann dabei ein Abgassystem mit einer Abgasleitung vorgesehen sein.Subsequently, a second gas is provided through the gas supply system to the gas dispersion channel and the purge gas is again passed through the gas dispersion channel to the reaction zone in order to quickly purge the second gas from the gas dispersion channel and the reaction zone. An exhaust system with an exhaust line can be provided.

Die DE 10 2016 201 827 B3 betrifft ein Verfahren zur Texturierung der Oberfläche von kristallinem Silizium, bei dem die Oberfläche durch einen maskenlosen anisotropen Plasmaätzprozess in einem induktiv gekoppelten Plasma oder einem Remote-Plasma unter Bildung von Nanostrukturen texturiert wird, um die optische Reflexion der Oberfläche zu verringern. Bei dem Verfahren wird die Oberfläche in zwei anschließenden Prozessschritten zunächst mit einem Reinigungsplasma von Verunreinigungen gereinigt und anschließend mit einem Sauerstoffplasma gegen weitere Verunreinigungen geschützt. Diese beiden Prozessschritte werden ebenfalls mit einem induktiv gekoppelten Plasma oder einem Remote-Plasma durchgeführt. Das Verfahren ermöglicht die Plasmatexturierung der Siliziumoberfläche insbesondere bei der Herstellung von Solarzellen im industriellen Maßstab, wobei Schädigungen durch lonenbeschuss weitestgehend vermieden werden. Nach dem Prozessschritt der Plasmatexturierung wird die texturierte Oberfläche zunächst mit einem Reinigungsplasma von Verunreinigungen befreit. Anschließend wird die gereinigte Oberfläche mit einem Sauerstoffplasma durch Bildung einer Oxidschicht gegen weitere Verunreinigungen geschützt. Beide letztgenannten Prozessschritte erfolgen ebenfalls mit einem induktiv gekoppelten Plasma oder einem Remote-Plasma, so dass das gesamte Verfahren in der gleichen Plasmaanlage durchgeführt werden kann. Als Reinigungsgas für das Reinigungsplasma kann bspw. eine Mischung von H₂/N₂O/CF₄ eingesetzt werden. Es sind jedoch auch andere Reinigungsgase möglich. Bei Nutzung eines sauerstoffhaltigen Reinigungsgases kann der Übergang zum anschließenden Sauerstoffplasma fließend erfolgen.The EN 10 2016 201 827 B3 relates to a method for texturing the surface of crystalline silicon, in which the surface is textured by a maskless anisotropic plasma etching process in an inductively coupled plasma or a remote plasma with the formation of nanostructures in order to reduce the optical reflection of the surface. In the method, the surface is first cleaned of impurities with a cleaning plasma in two subsequent process steps and then protected against further impurities with an oxygen plasma. These two process steps are also carried out with an inductively coupled plasma or a remote plasma. The method enables plasma texturing of the silicon surface, particularly in the production of solar cells on an industrial scale, whereby damage caused by ion bombardment is largely avoided. After the plasma texturing process step, the textured surface is first freed of impurities with a cleaning plasma. The cleaned surface is then protected against further impurities with an oxygen plasma by forming an oxide layer. Both of the last-mentioned process steps are also carried out with an inductively coupled plasma or a remote plasma, so that the entire process can be carried out in the same plasma system. A mixture of H ₂ /N ₂ O/CF ₄ can be used as a cleaning gas for the cleaning plasma, for example. However, other cleaning gases are also possible. When using an oxygen-containing cleaning gas, the transition to the subsequent oxygen plasma can be seamless.

Bei den bekannten Reinigungsverfahren für die Prozessräume wird ein Spül- bzw. Reinigungsgas, z.B. einem nicht reaktiven Inertgas, eingelassen, welches die vorhandenen relativ reaktiven Precursor bzw. Reaktionsgase verdrängt. Allerdings haben die verdrängten Reaktionsgase nicht nur mit dem Substrat reagiert, sondern auch mit den Oberflächen der Reaktionskammer. Bei einem weiteren Prozess zur Bearbeitung von Substraten in der Reaktionskammer lösen sich dann unter Umständen wieder Moleküle von der Oberfläche und verunreinigen den hochsensiblen Prozess, wodurch der Prozessablauf bei allen weiteren Prozessschritten instabil und nicht gleichmäßig wiederholbar verläuft.In the known cleaning processes for the process chambers, a flushing or cleaning gas, e.g. a non-reactive inert gas, is introduced, which displaces the relatively reactive precursors or reaction gases present. However, the displaced reaction gases have not only reacted with the substrate, but also with the surfaces of the reaction chamber. During a further process for processing substrates in the reaction chamber, molecules may then detach from the surface again and contaminate the highly sensitive process, making the process unstable and not uniformly repeatable in all subsequent process steps.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren zu schaffen, welches den Abscheidungs- oder Ätzprozess bei Substraten in der Reaktionskammer bzw. in dem Prozessraum stabilisiert. Für jedes zu bearbeitende Substrat sollen die gleichen Prozessbedingungen für eine kontinuierliche Reproduzierbarkeit der Prozesse herrschen.The object of the invention is therefore to avoid the disadvantages of the prior art and to create a method which stabilizes the deposition or etching process for substrates in the reaction chamber or in the process space. The same process conditions should prevail for each substrate to be processed in order to ensure continuous reproducibility of the processes.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren zum Stabilisieren eines Abscheidungs- oder Ätzprozesses bei Substraten in einem Prozessreaktor der eingangs genannten Art mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:

f) Einführen eines Beschichtungsgases in die Reaktionskammer zum Beschichten der Reaktionskammerflächen,
g) Evakuieren des Beschichtungsgases aus der Reaktionskammer.

According to the invention, the object is achieved by a method for stabilizing a deposition or etching process for substrates in a process reactor of the type mentioned at the outset with the following method steps:

f) introducing a coating gas into the reaction chamber to coat the reaction chamber surfaces,
g) Evacuating the coating gas from the reaction chamber.

Die Aufgabe wird ferner durch einen Prozessreaktor der eingangs genannten Art gelöst, der zur Durchführung eines solchen Verfahrens ausgebildet ist.The object is further achieved by a process reactor of the type mentioned above, which is designed to carry out such a process.

Die Erfindung beruht auf dem Prinzip für jeden einzelnen Prozess zur Bearbeitung eines Substrats immer die gleichen Bedingungen zu schaffen, um die Prozessstabilität zu gewährleisten. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass auch sämtliche Flächen der Reaktionskammer die gleiche Beschichtung aufweisen. Durch Ablagerungen oder Ätzung aus vorherigen Prozessen werden die Flächen der Reaktionskammer meist unregelmäßig ausgebildet. Diese Unregelmäßigkeiten der Flächen beeinflussen die Gleichförmigkeit der Abscheidungs- oder Ätzprozesse in einem nicht unerheblichen Maße für jeden weiteren Prozessvorgang. Von den Flächen lösen sich bei einem Prozess Moleküle von den Flächen der Reaktionskammer und stören den Abscheidungs- oder Ätzprozess an einem Substrat in unerwünschter Weise. Dadurch ist die Gleichmäßigkeit für jeden einzelnen Vorgang nicht mehr gewährleistet. Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden. Über das Reinigungsgas werden die Oberflächen der Reaktionskammer gereinigt. Das Beschichtungsgas wird in einem separaten Prozessschritt so lange in die Reaktionskammer eingelassen, bis eine gleichmäßige Beschichtung auf allen Flächen vorhanden ist. Je nach Bedarf kann das Beschichtungsgas ein Reaktionsgas sein, welches in geeigneter Weise mit der Oberfläche der Reaktionskammer reagiert. Dadurch kann eine immer gleiche Oberfläche innerhalb der Reaktionskammer geschaffen werden. Das Beschichtungsgas kann bei Bedarf auch in mehreren Prozessschritten in die Reaktionskammer eingelassen werden. Die sich prozessbedingt lösenden Moleküle sind bei jedem Prozessvorgang immer gleich, was insgesamt für eine Prozessstabilität sorgt, vor allem bei einer Massenproduktion von Substraten, wie Wafern.The invention is based on the principle of always creating the same conditions for each individual process for processing a substrate in order to ensure process stability. This can be achieved by ensuring that all surfaces of the reaction chamber have the same coating. Deposits or etching from previous processes usually cause the surfaces of the reaction chamber to be irregular. These irregularities in the surfaces influence the uniformity of the deposition or etching processes to a considerable extent for each subsequent process. During a process, molecules detach from the surfaces of the reaction chamber and undesirably disrupt the deposition or etching process on a substrate. As a result, uniformity is no longer guaranteed for each individual process. This is avoided by the method according to the invention. The surfaces of the reaction chamber are cleaned using the cleaning gas. The coating gas is let into the reaction chamber in a separate process step until a uniform coating is present on all surfaces. Depending on requirements, the coating gas can be a reaction gas that reacts in a suitable manner with the surface of the reaction chamber. This means that a surface that is always the same can be created within the reaction chamber. If required, the coating gas can also be introduced into the reaction chamber in several process steps. The molecules released during the process are always the same in each process step, which ensures overall process stability, especially in mass production of substrates such as wafers.

Als vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Stabilisieren eines Abscheidungs- oder Ätzprozesses bei Substraten in einem Prozessreaktor besteht darin, dass das Reinigungsgas und/oder das Beschichtungsgas von einem Reaktionsgas oder Reaktionsgasgemisch gebildet wird. Das Reinigungsgas und/oder das Beschichtungsgas kann so ausgewählt werden, dass es sicher mit den Flächen bzw. Oberflächen reagiert. Das Beschichtungsgasgemisch kann bei Bedarf auch in mehreren Prozessschritten sukzessiv und/oder parallel in die Reaktionskammer eingelassen werden. Dabei kann es sich um ein reaktives Gas oder Gasgemisch handeln, dass speziell mit den Oberflächen reagiert.An advantageous embodiment of the method according to the invention for stabilizing a deposition or etching process for substrates in a process reactor is that the cleaning gas and/or the coating gas is formed from a reaction gas or reaction gas mixture. The cleaning gas and/or the coating gas can be selected so that it reacts reliably with the areas or surfaces. If necessary, the coating gas mixture can also be introduced into the reaction chamber successively and/or in parallel in several process steps. This can be a reactive gas or gas mixture that reacts specifically with the surfaces.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Stabilisieren eines Abscheidungs- oder Ätzprozesses wird dadurch erreicht, dass ein Inertgas als Spülgas zum Verdrängen des Reinigungsgases bzw. des Beschichtungsgases in die Reaktionskammer geführt wird. Dieses inerte Spülgas sorgt dafür in einem weiteren Verfahrensschritt, dass auch das reaktive Reinigungsgas bzw. Beschichtungsgas vollständig aus der Reaktionskammer entfernt wird, nachdem es an den Flächen der Reaktionskammer gewirkt hat.A further advantageous embodiment of the method according to the invention for stabilizing a deposition or etching process is achieved by introducing an inert gas as a purge gas into the reaction chamber to displace the cleaning gas or coating gas. In a further process step, this inert purge gas ensures that the reactive cleaning gas or coating gas is also completely removed from the reaction chamber after it has acted on the surfaces of the reaction chamber.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht ferner darin, dass ein zu bearbeitendes Substrat für einen Abscheidungs- oder Ätzprozess in der Reaktionskammer eingeführt wird und nach der Bearbeitung entfernt wird. Nachdem die Oberflächen der Reaktionskammer nach dem Reinigungsvorgang mit dem Reinigungsgas und nach der Beschichtungsvorgang mit dem Beschichtungsgas eine gleichmäßige Beschichtung aufweisen, wird ein zu bearbeitendes Substrat für einen Abscheidungs- oder Ätzprozess in der Reaktionskammer eingeführt und nach der Bearbeitung wieder entfernt. Danach kann wieder der Reinigungs- und Beschichtungsvorgang mit dem Reinigungs- bzw. Beschichtungsgas durchgeführt werden. Damit erhält jedes Substrat, welches in der Reaktionskammer eingeführt und entfernt wird, immer gleiche Prozessbedingungen.A preferred embodiment of the method according to the invention further consists in that a substrate to be processed is introduced into the reaction chamber for a deposition or etching process and is removed after processing. After the surfaces of the reaction chamber have a uniform coating after the cleaning process with the cleaning gas and after the coating process with the coating gas, a substrate to be processed is introduced into the reaction chamber for a deposition or etching process and is removed again after processing. The cleaning and coating process can then be carried out again with the cleaning or coating gas. This means that every substrate that is introduced into and removed from the reaction chamber always receives the same process conditions.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch erreicht, dass das Beschichtungsgas auf den Oberflächen der Reaktionskammer durch Abscheidung immer eine definierte Schicht erzeugt. Das Beschichtungsgas kann z.B. so gesteuert werden, dass es hinsichtlich Durchflusszeit und Durchflussmenge in der Reaktionskammer genau festgelegt wird. Hierdurch kommt es zu definierten Abscheidungen an den Flächen der Reaktionskammer. Die Beschichtung auf den Oberflächen wird damit definiert vereinheitlicht. Dies hat zur Folge, dass Prozessbedingungen für jedes eingeführte Substrat immer gleichbleibend sind.A further preferred embodiment of the method according to the invention is achieved in that the coating gas always creates a defined layer on the surfaces of the reaction chamber by deposition. The coating gas can, for example, be controlled in such a way that it is precisely determined in terms of flow time and flow rate in the reaction chamber. This results in defined deposits on the surfaces of the reaction chamber. The coating on the surfaces is thus standardized in a defined manner. This means that the process conditions are always the same for each substrate introduced.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus dem Gegenstand der Unteransprüche sowie den Zeichnungen mit den dazugehörigen Beschreibungen. Ausführungsbeispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Erfindung soll nicht alleine auf diese aufgeführten Ausführungsbeispiele beschränkt werden. Sie dienen lediglich zur näheren Erläuterung der Erfindung. Die vorliegende Erfindung soll sich auf alle Gegenstände beziehen, die jetzt und zukünftig der Fachmann als naheliegend zur Realisierung der Erfindung heranziehen würde. Die folgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die derzeit besten möglichen Ausführungsarten der Offenbarung. Die Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen, sondern dient lediglich der Veranschaulichung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung, da der Umfang der Erfindung am besten durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.Further embodiments and advantages result from the subject matter of the subclaims as well as the drawings with the associated Descriptions. Embodiments are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. The invention is not intended to be limited to these exemplary embodiments alone. They serve only to explain the invention in more detail. The present invention is intended to relate to all objects which a person skilled in the art would now and in the future consider obvious for implementing the invention. The following detailed description relates to the best possible modes of carrying out the disclosure at the moment. The description is therefore not to be taken in a limiting sense, but merely serves to illustrate the general principles of the invention, since the scope of the invention is best defined by the appended claims.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

1 shows in one embodiment a schematic diagram of a process reactor in vertical section in which the method according to the invention can be used.
2 shows the flow cycle of the method according to the invention in a schematic diagram.

Bevorzugtes AusführungsbeispielPreferred embodiment

In 1 wird ein vertikaler Schnitt eines Prozessreaktors 10 für Abscheidungs- und/oder Ätzprozesse an Substraten dargestellt. Dieser Prozessreaktor 10 ist für ein erfindungsgemäßes Verfahren geeignet. Der Prozessreaktor 10 umfasst ein Gehäuse 12 mit einer Reaktionskammer 14. Der Prozessreaktor 10 arbeitet mit einem Plasma. Hierzu wird ein Plasmagas in die Reaktionskammer 14 durch einen Gaseinlass 16 geführt. Das Plasma wird zwischen zwei Elektroden 18, 20 gebildet, die mit Hochfrequenter Spannung beaufschlagt werden.In 1 a vertical section of a process reactor 10 for deposition and/or etching processes on substrates is shown. This process reactor 10 is suitable for a method according to the invention. The process reactor 10 comprises a housing 12 with a reaction chamber 14. The process reactor 10 works with a plasma. For this purpose, a plasma gas is fed into the reaction chamber 14 through a gas inlet 16. The plasma is formed between two electrodes 18, 20, which are subjected to high-frequency voltage.

Das Ätz- bzw. Abscheidegas wird durch einen Gaseinlassring 22, der mit einem Gaseinlas 24 des Prozessreaktors 10 gekoppelt ist eingeleitet. Der Gaseinlass 24 wird über ein schnell betätigbares Ventil 26 geregelt. Hierdurch lassen sich Gaspulse durch den Gaseinlassring 22 erzeugen. Der Gaseinlassring 22 verfügt über Düsen 28, durch welche ein Reaktionsgas in die Reaktionskammer 14 geleitet wird, um mit einem Substrat 30 zu reagieren. Vorzugsweise werden Lavaldüsen als Düsen 28 verwendet, um einen optimalen Einlass des Reaktionsgases und gleichmäßige Verteilung in der Reaktionskammer 14 zu gewährleisten. Die Düsen 28 sind dabei radialsymmetrisch in dem Gaseinlassring 22 angeordnet. Das Substrat 30 ist auf einem Haltetisch 32 angeordnet.The etching or deposition gas is introduced through a gas inlet ring 22, which is coupled to a gas inlet 24 of the process reactor 10. The gas inlet 24 is controlled by a quickly actuated valve 26. This allows gas pulses to be generated through the gas inlet ring 22. The gas inlet ring 22 has nozzles 28 through which a reaction gas is passed into the reaction chamber 14 in order to react with a substrate 30. Laval nozzles are preferably used as nozzles 28 in order to ensure optimal inlet of the reaction gas and uniform distribution in the reaction chamber 14. The nozzles 28 are arranged radially symmetrically in the gas inlet ring 22. The substrate 30 is arranged on a holding table 32.

Wände 34 und Funktionselemente 36, wie z.B. Haltetisch 32, Leitungen 38 und der Gaseinlassring 22, bilden Flächen 40 bzw. Oberflächen in der Reaktionskammer 14 aus. Während eines Abscheidungsprozesses bei der Bearbeitung eines Substrats entstehen parallel zum Substrat 30 auch ungewollte Abscheidungen auf diesen Flächen 40 entsprechend werden Schichten dieser Flächen 40 in unerwünschter Weise abgetragen. Hierdurch entstehen Unregelmäßigkeiten hinsichtlich der Strukturen bzw. Schichten auf den Flächen 38 der Reaktionskammer 14.Walls 34 and functional elements 36, such as the holding table 32, lines 38 and the gas inlet ring 22, form areas 40 or surfaces in the reaction chamber 14. During a deposition process when processing a substrate, unwanted deposits also arise on these areas 40 parallel to the substrate 30, and layers of these areas 40 are removed in an undesirable manner. This creates irregularities in the structures or layers on the areas 38 of the reaction chamber 14.

Die Reaktionskammer 14 des Prozessreaktors 10 wird mit Unterdruck betrieben. Dazu ist eine Turbopumpe 42 an der Reaktionskammer 14 angeordnet, welche einen hohen Unterdruck erzeugen kann. Die Turbopumpe 42 ist dabei unterhalb des Haltetisches 32 vorgesehen, sodass sich der Haltetisch 32 mit seinen Standbeinen 44 symmetrisch über der Turbopumpe 42 befindet. Die Standbeine 44 sind dabei hohl ausgebildet, um Leitungen 38 für Gas und Elektrizität zum Haltetisch 32 zu führen. Über Anschlüsse 46 lassen sich die Leitungen 38, welche in die Reaktionskammer 14 geführt sind, mit entsprechenden Ressourcen versorgen.The reaction chamber 14 of the process reactor 10 is operated with negative pressure. For this purpose, a turbo pump 42 is arranged on the reaction chamber 14, which can generate a high negative pressure. The turbo pump 42 is provided below the holding table 32, so that the holding table 32 with its support legs 44 is located symmetrically above the turbo pump 42. The support legs 44 are hollow in order to lead lines 38 for gas and electricity to the holding table 32. The lines 38, which are led into the reaction chamber 14, can be supplied with corresponding resources via connections 46.

Über eine Vakuumschleuse 48 wird das Substrat 30 in die Reaktionskammer 14 eingebracht und auf dem Haltetisch 32 - auch „Chuck“ genannt - möglichst zentral fixiert. Entsprechend wird das Substrat 30 durch die Vakuumschleuse 48 auch wieder aus der Reaktionskammer 14 entfernt und durch ein neues Substrat 30 ersetzt.The substrate 30 is introduced into the reaction chamber 14 via a vacuum lock 48 and fixed as centrally as possible on the holding table 32 - also called a "chuck". The substrate 30 is then removed from the reaction chamber 14 again via the vacuum lock 48 and replaced by a new substrate 30.

In 2 wird in einer Prinzipskizze ein Verfahrenszyklus 50 mit einem Prozessreaktor 10, wie er oben in 1 beschrieben wurde, dargestellt. Ein jeweils folgender Verfahrensschritt der Verfahrensschritte 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68, 70 und 72 des Verfahrenszyklus 50 wird mit Pfeilen 74 symbolisiert. Dabei wird in dem ersten Verfahrensschritt 52 ein Unterdruck durch Evakuieren der Reaktionskammer 14 mittels der Turbopumpe 42 erzeugt. In dem zweiten Verfahrensschritt 54 wird das Substrat 30 durch die Vakuumsschleuse 48 in die Reaktionskammer 14 des Prozessreaktors 10 eingeführt. Anschließend wird in einem dritten Verfahrensschritt 56 ein Plasmagas in die Reaktionskammer 14 eingelassen. Durch Anlegen eines hochfrequenten elektrischen Wechselfelds an die Elektroden 18, 20 wird in dem vierten Verfahrensschritt 58 nun ein ein Plasma in der Reaktionskammer erzeugt.In 2 In a schematic diagram, a process cycle 50 with a process reactor 10 as described above in 1 described. A subsequent process step of the process steps 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68, 70 and 72 of the process cycle 50 is symbolized by arrows 74. In the first process step 52, a negative pressure is generated by evacuating the reaction chamber 14 by means of the turbo pump 42. In the second process step 54, the substrate 30 is introduced through the vacuum lock 48 into the reaction chamber 14 of the process reactor 10. Then, in a third process step 56, a plasma gas is admitted into the reaction chamber 14. By applying a high-frequency alternating electric field to the electrodes 18, 20, a plasma is now generated in the reaction chamber in the fourth process step 58.

Durch gezielte Hinzugabe von Reaktionsgas oder -gasgemisch durch die Düsen 28 des Gaseinlassrings 22 erfolgt die Abscheidung (PEALD) bzw. Ätzung (ALE) in dem fünften Verfahrensschritt 60 an dem Substrat 30. Dieser Vorgang bzw. Vorgänge werden solange durchgeführt, bis das gewünschte Ergebnis vorliegt, d.h. das Substrat 30 fertig bearbeitet ist. Die Reaktion bei der Abscheidung bzw. Ätzung erfolgt jedoch nicht nur an dem Substrat 30, sondern das Reaktionsgases reagiert naturgemäß auch mit den Flächen 40 bzw. Oberflächen in der Reaktionskammer 14.By targeted addition of reaction gas or gas mixture through the nozzles 28 of the gas inlet ring 22, the deposition (PEALD) or etching (ALE) takes place in the fifth process step 60 on the substrate 30. This process or processes are carried out until the desired result is achieved, ie the substrate 30 is completely processed. However, the reaction during the deposition or etching does not only take place on the substrate 30, but the reaction gas naturally also reacts with the surfaces 40 or surfaces in the reaction chamber 14.

Danach wird in dem sechsten Verfahrensschritt 62 das Substrat 30 vom Haltetisch 32 entfernt und durch die Vakuumschleuse 48 aus der Reaktionskammer 14 herausgenommen. In dem nun folgenden siebten Verfahrensschritt 64 wird die Reaktionskammer 14 von Reaktionsgasen oder -gasgemischen, auch „Precursor“ genannt, evakuiert.Then, in the sixth method step 62, the substrate 30 is removed from the holding table 32 and taken out of the reaction chamber 14 through the vacuum lock 48. In the seventh method step 64 that follows, the reaction chamber 14 is evacuated of reaction gases or gas mixtures, also called “precursors”.

Der achte Verfahrensschritt 66 besteht darin, dass ein Reinigungsgas in die Reaktionskammer 14 bei bestehendem Plasma eingeführt wird. Das Reinigungsgas ist ein Reaktionsgas oder -gasgemisch, das auf einen späteren Prozessvorgang keinen bzw. nur einen definierten Einfluss nimmt. Das Reinigungsgas reagiert nun mit sämtlichen Oberflächen 40 in der Reaktionskammer 14. Durch Ätzen werden die Oberflächen 40 der Reaktionskammer 14 gereinigt. Durch diesen Ätzprozess bei der Reinigung kommt es allerdings zu strukturbedingten Unregelmäßigkeiten auf den Oberflächen 40. Das Reinigungsgas wird dabei so lange in die Reaktionskammer 14 eingelassen, bis bei allen Flächen 40 die Rückstände aus vorherigen Ätz- oder Abscheidungsprozessen entfernt sind. Das Reinigungsgas wird in Verfahrensschritt 68 aus der Reaktionskammer 14 entfernt. Dazu wird ein Spülgas, zumeist ein Inertgas in die Reaktionskammer 14 eingelassen, dass das reaktive Reinigungsgas aus der Reaktionskammer verdrängt.The eighth method step 66 consists in introducing a cleaning gas into the reaction chamber 14 while plasma is present. The cleaning gas is a reaction gas or gas mixture that has no or only a defined influence on a subsequent process step. The cleaning gas then reacts with all surfaces 40 in the reaction chamber 14. The surfaces 40 of the reaction chamber 14 are cleaned by etching. However, this etching process during cleaning leads to structural irregularities on the surfaces 40. The cleaning gas is introduced into the reaction chamber 14 until the residues from previous etching or deposition processes have been removed from all surfaces 40. The cleaning gas is removed from the reaction chamber 14 in method step 68. For this purpose, a purge gas, usually an inert gas, is introduced into the reaction chamber 14 to displace the reactive cleaning gas from the reaction chamber.

Abschließend wird im zehnten Verfahrensschritt 70 ein Beschichtungsgas in die Reaktionskammer eingelassen. Das Beschichtungsgas wird dabei so lange bei bestehendem Plasma in die Reaktionskammer 14 eingelassen, bis eine gleichmäßige Beschichtung auf allen Flächen 40 vorhanden ist. Hierdurch können alle Oberflächen 40 in einen definiert beschichteten Zustand gebracht werden. Durch die Abscheidung lassen sich so die Flächen in der Reaktionskammer 14 für weitere Prozessvorgänge in immer gleiche Verhältnisse versetzen. Das Beschichtungsgas wird im elften Verfahrensschritt 72 wieder aus der Reaktionskammer 14 mit einem Inertgas als Spülgas aus der Reaktionskammer 14 verdrängt bzw. entfernt.Finally, in the tenth process step 70, a coating gas is introduced into the reaction chamber. The coating gas is introduced into the reaction chamber 14 while the plasma is present until a uniform coating is present on all surfaces 40. This allows all surfaces 40 to be brought into a defined coated state. The deposition allows the surfaces in the reaction chamber 14 to always be placed in the same conditions for further processing operations. In the eleventh process step 72, the coating gas is displaced or removed from the reaction chamber 14 again using an inert gas as a purge gas.

Damit schließt sich der Verfahrenszyklus 50 und die Verfahrensschritte 52 bis 72 können zyklisch wiederholt werden. Damit finden alle eingeführte Substrate 30 immer gleiche Bedingungen in der Reaktionskammer 14 vor, was wiederum bewirkt, dass jeder folgende Prozess stabilisiert wird.This closes the process cycle 50 and the process steps 52 to 72 can be repeated cyclically. This means that all introduced substrates 30 always find the same conditions in the reaction chamber 14, which in turn means that each subsequent process is stabilized.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010: ProzessreaktorProcess reactor
1212: GehäuseHousing
1414: ReaktionskammerReaction chamber
1616: GaseinlassGas inlet
1818: Elektrodeelectrode
2020: Elektrodeelectrode
2222: GaseinlassringGas inlet ring
2424: GaseinlassGas inlet
2626: VentilValve
2828: DüsenNozzles
3030: SubstratSubstrat
3232: HaltetischHolding table
3434: Wändewalls
3636: FunktionselementeFunctional elements
3838: Leitungencables
4040: FlächenAreas
4242: TurbopumpeTurbo pump
4444: StandbeineMainstays
4646: Anschlüsseconnections
4848: VakuumschleuseVacuum lock
5050: VerfahrenszyklusProcess cycle
5252: 1.Verfahrensschritt (Unterdruck)1st process step (negative pressure)
5454: 2.Verfahrensschritt (Substrat einsetzen)2nd process step (insert substrate)
5656: 3.Verfahrensschritt (Plasmagas)3rd process step (plasma gas)
5858: 4.Verfahrensschritt (Plasma)4th process step (plasma)
6060: 5.Verfahrensschritt (PEALD/ALE)5th process step (PEALD/ALE)
6262: 6.Verfahrensschritt (Substrat entfernen)6th process step (remove substrate)
6464: 7.Verfahrensschritt (Evakuieren)7th process step (evacuation)
6666: 8.Verfahrensschritt (Reinigungsgas)8th process step (cleaning gas)
6868: 9. Verfahrensschritt (Spülgas)9. Process step (purge gas)
7070: 10. Verfahrensschritt (Beschichtungsgas)10. Process step (coating gas)
7272: 11. Verfahrensschritt (Spülgas)11. Process step (purge gas)
7474: PfeileArrows

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102020127014 A1 [0011]
DE 212018000277 U1 [0012]
DE 102016201827 B3 [0014]

Claims

Method (50) for stabilizing a deposition or etching process for substrates (30) in a process reactor (10), comprising the following method steps: a) generating a negative pressure (52) in a reaction chamber (14) of the process reactor (10), b) introducing a plasma gas (56) into the reaction chamber (14), c) generating a plasma (58) from the plasma gas in a high-frequency alternating electrical field between two electrodes (18, 20), which plasma penetrates the plasma gas, d) introducing a cleaning gas (66) into the reaction chamber (14) to react with the reaction chamber surfaces (40), e) evacuating the cleaning gas (68) from the reaction chamber (14), characterized by f) introducing a coating gas (70) into the reaction chamber (14) to coat the reaction chamber surfaces (40), g) evacuating the coating gas (72) from the reaction chamber (14).

Method (50) for stabilizing a deposition or etching process for substrates (30) in a process reactor (10) according to Claim 1 , characterized in that the cleaning gas and/or the coating gas is formed from a reaction gas or reaction gas mixture.

Method (50) for stabilizing a deposition or etching process for substrates (30) in a process reactor (10) according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that an inert gas is fed into the reaction chamber (14) as a purge gas for displacing the cleaning gas (66) or the coating gas (72) in each case in a process step.

Method (50) for stabilizing a deposition or etching process for substrates (30) in a process reactor (10) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that in a method step (54) a substrate (30) to be processed is introduced into the reaction chamber (14) for a deposition or etching process and is removed in a method step (62) after processing.

Method (50) for stabilizing a deposition or etching process for substrates (30) in a process reactor (10) according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the coating gas produces a defined layer on the surfaces (40) of the reaction chamber (14) by deposition.

Process reactor (10) for a plasma-assisted deposition or etching process for processing substrates (30), which is used to carry out a method (50) according to the Claims 1 until 5 is trained.