DE2716592C3

DE2716592C3 - Plasma-Ätzvorrichtung

Info

Publication number: DE2716592C3
Application number: DE2716592A
Authority: DE
Inventors: Ichiro Fuchu Kanomata; Sadayuki Okudaira; Noriyuki Ohme Sakudo; Keizo Suzuki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-04-15
Filing date: 1977-04-14
Publication date: 1979-11-08
Also published as: GB1523267A; DE2716592A1; US4101411A; DE2716592B2

Description

Ii

Die Erfindung betrifft eine Plasma-Ätzvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Plasma-Ätzvorrichtungen werden als bekannt vorausgesetzt; sie dienen zum Ätzen einer Festkörper- '<» oberfläche mit Hilfe von Ionen, Atomradikalen und/oder Molekülradikalen in einem Plasma.

In letzter Zeit wird in zunehmendem Maß auf verschiedenen technischen Gebieten mit Hilfe von Ionenstrahlen oder Ionen, Atomradikalen und Molekül- >> radikalen in einem Plasma trockengeätzt. Ein Anwendungsgebiet des Trockenätzens sind Halbleiter, die sehr fein, beispielsweise einige Mikron oder weniger geätzt werden müssen. Verglichtn mit früheren Verfahren auf der Grundlage von Ionenstrahlen ist die lonendichte mi beim letztgenannten Verfahren, das Ionen eines Plasmas verwendet, höher. Da darüber hinaus die Ätzgeschwindigkeit höher ist, wurden zahlreiche Versuche auf diesem Gebiet gemacht. Es wurde herausgefunden, daß sich ein durch Mikrowellenentladung erzeugtes e> · Plasma für diese Zwecke besonders gut eignet, weil die Richtungen der Ionen regelmäßig werden, da ein Entladungsgas selbst unter einem niedrigen Druck (unterhalb 1 χ 10~³ Torr) durchbrechen kann, weil ein Plasma mit außerordentlich hoher Dichte erzeugt werden kann, und weil ein chemisch aktives Gas verwendet werden kann, da aufgrund einer elektrodenlosen Entladung die Lebensdauer der Vorrichtung lang ist

F i g. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer bekannten, auf der Grundlage einer Mikrowellenentladung arbeitenden Ätzvorrichtung. Von einem Mikrowellengenerator 1 erzeugte Mikrowellen werden an einen Rechteckhohlleiter 2 abgegeben. In einer Stellung, die etwa ¹A einer Hohlleiter-Wellenlänge (X_g) vom Abschlußende des Rechteckhohlleiters 2 entfernt ist, ragt das eine Ende eines Innenleitcrs 4 einer koaxialen Wellenleitung 3 wie in der F i g. 1 dargestellt in den Hohlleiter 2. Über die auf diese Weise gebildete Antenne breiten sich die Mikrowellen des Hohlleiters 2 auch im koaxialen Wellenleiter 3 aus. Darüber hinaus breitet sich ein elektrisches Feld der Mikrowellen über einen Isolator 7 als auch eine zwischen den Mikrowellen und einem Plasma koppelnde Kopplungseinrichtung 6 in einem Entladungsraum 5 aus. Bei 9 ist ein ,Magnetfelderzeuger dargestellt, der ein äußeres magnetisches Feld senkrecht zum vorstehend erwähnten elektrischen Mikrowellenfeld erzeugt. Das magnetische Feld führt zusammen mit dem elektrischen Mikrowellenfeld zur Mikrowellenentladung. Im allgemeinen wird mit Hilfe des Magnetfelderzeugers ein Magnetfeld vom Reflektortyp (mirror-type) erzeugt, das das Plasma wirksam umschließt. Die Zahl 8 bezeichnet eine Gaslecköffnung, über die ein Gas, wie z. B. N2, Ar und O2 unter einem Druck von 1 χ 10-'bis 10~⁵Torr zugeführt wird. Das Gas wird durch Mikrowellenentladung ionisiert. Bei 12 ist das zu ätzende Substrat dargestellt, welches von einer Energiequelle 13 auf einem vorbestimmten Potential gehalten wird oder welches geerdet ist. Bei einer derartigen Konstruktion bildet sich zwischen dem Substrat 12 und dem durch die Mikrowellenentladung im Magnetfeld erzeugten Plasma eine Ionenschicht. Die Ionen des zugeführten Gases treten durch die lonenschicht und treffen auf das Substrat 12 auf, das hierdurch geätzt wird.

Wenn jedoch, wie bei dieser Konstruktion, ein koaxialer Wellenleiter benutzt wird, so muß dessen Innenleiter durch den Isolator gehalten werden, womit der Innenleiter von den anderen Teilen thermisch isoliert ist und sehr leicht hohe Temperaturen erreicht. Der Innenleiter kann somit leicht an oer Verbindungsstelle mit dem Isolator thermisch zerstört werden. Bei einer Plasmaätzvorrichtung ist darüber hinaus die Homogenität der Plasmadichteverteilung in radialer Richtung kritisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Plasma-Ätzvorrichtung der eingangs genannten Art große Unterschiede der Plasmadichte zwischen einem Teil unterhalb des Innenleiters oder der Mikrowellenplasma-Kopplungseinrichlung und den diesen Teil umgebenden Bereichen v/eitgehend zu vermeiden, so daß gleichförmig geätzt werden kann. Diese Aufgabe wird crfindungsgenüilJ dadurch gelöst, daß die die Mikrowellenenergie zuführende Kopplungseinrichtung als runder Hohlleiter ausgebildet ist und daß der Entladungsraum innerhalb des runden Hohlleiters angeordnet ist.

Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden, und zwar zeigt

F i g. 2 eine schematische Schnittansicht eines Ausfüh-

rungsbeispiels einer Ätzvorrichtung der beschriebenen Art,

F i g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der beschriebenen Ätzvorrichtung und

F i g. 4 und 5 schematische Schnittansichten weiterer Ausführungsbeispiele von Ätzvorrich:ungen der beschriebenen ArL

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiei der beschriebenen Plasma-Ätzvorrichtung. Von einem Mikrowelk, ngenerator ( erzeugte Mikrowellen werden einem Rechteckhohlleiter 2 zugeführt Die Mikrowellen werden einem runden Hohlleiter 11 zugeführt, der so angeschlossen ist, daß seine Achse im Abstand von ¹A der Hohlleiterweüenlänge vom Abschlußende des Rechteckhohlleiters 2 liegt. Um einen guten Ausbrei- π tungswirkungsgrad vom Rechteckhohlleiter 2 zum runden Hohlleiter 11 hin zu bewirken, ist das Ende des Hohlleiters 2 schräg zur Achse des Hohlleiters U abgeschnitten. Ein Isolator 7 trennt den runden Hohlleiter ί 1 von einem Entladungsraum 5. Die Zahl 8 bezeichnet eine Gaslecköffnung, mit 9 ist ein Magnetfelderzeuger und mit 12 das zu ätzende Substrat bezeichnet. Das Substrat 12 ist, wie in der Figur dargestellt ist, geerdet oder es wird auf einem vorbestimmten Potential gehalten. Wie dieses Ausfüh- 2> rungsbeispiel zeigt, wird der runde Hohlleiter in der beschriebenen Weise zur Zuführung und Ankopplung der Mikrowelle benutzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Einrichtungen ist kein thermisch schwaches Teil, wie es beispielsweise der Innenleiter einer koaxialen so Wellenleitung ist, vorgesehen. Demzufolge wird die Vorrichtung selbst dann nicht zerstört, wenn Mikrowellen hoher Leistung zugeführt werden. Da kein Innenleiter vorhanden ist, treten keine Konzentrationen des elektrischen Felds auf, womit die Homogenität der r. Dichteverteilung des Plasmas in radialer Richtung verbessert und die Ätzgleichförmigkeit des Substrats 12 verbessert wird.

Fi g. 3 zeigt ein mit Hilfe der Plasma-Ätzvorrichtung nach Fig. 2 erhaltenes Ergebnis. In Fig. 3 ist auf der -10 Abszissenachse der Abstand vom Mittelpunkt des Substrats aufgetragen, während die Ordinatenachse die Ätztiefe wiedergibt. Zum Vergleich zeigt die charakteristische Kurve a das Ergebnis für eine herkömmliche Vorrichtung mit einem koaxialen Wellenleiter als -n Mikrowellenkopplungsglied, während die charakteristische Kurve b das Ergebnis für eine Vorrichtung der beschriebenen An mit einem runden Hohlleiter zeigt. Die Versuche wurden bei 2,45GHz und einer MikroweJlenleistung von 200 Watt durchgeführt. Als > <> Gas wurde Ar bei einem Druck von 5xlO~⁴ Torr zugeführt, die Substratspannung war —500 V. Die Intensität des Magnetfelds betrug 1600 Gauss und die Ätzdauer war eine Minute. Wie die Figur zeigt, betrug der Durchmesser, für den die Ätztiefe gleich 90% des ·» Werts in der Mitte war, etwa 20 mm beim runden Hohlleiter und etwa 10 mm beim koaxialen Wellenleiter, womit die Gleichförmigkeit um mehr als das Doppelte verbessert werden konnte. In der Zeichnung ist nicht dargestellt, daß bei Verwendung eines mi koaxialen Wellenleiters der geätzte Bereich in der Mitte des Substrats unter gewissen Voraussetzungen niedriger als in den umgebenden Bereichen war. Im Mittel wird die Ätzgleichförmigkeil durch die Erfindung auf etwa das Doppelte verglichen mit dem Stand der tr. Technik verbessert.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbcispiel der beschriebenen Plasma-Ätzvorrichtung. Die Mikrowellen pflanzen sich bis zum runden Hohlleiter in gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel in Fig.2 fort. In dem runden Hohlleiter ist ein Entladungsrohr 10 aus Isoliermaterial, wie z. B. Quarzglas, angeordnet und zur Erzeugung eines Plasmas mit einem Entladungsgas gefüllt Das Entladungsgas kann entsprechend dem Verwendungszweck gewählt sein, geeignet ist Ar, O2, N 2 usw. Zweck des Isolator- bzw. Entladungsi ohrs 10 ist es, das Substrat 12 vor Verunreinigung zu schützen. Es soll verhindert werden, daß das durch die Mikrowe'lenentJadung erzeugte Plasma die Innenwand des runden Hohlleiters 11 zerstäubt und sich Substanzen, wie z. B. die Metallbestandteile der Innenwand, mit dem Substrat vermischen können. Die Kombination aus einem runden Hohlleiter und dem Isolator ist wirksamer als die Kombination eines koaxialen Wellenleiters und des Isolatorrohrs. Wird im letztgenannten Fall ein Entladungsgas, wie z. B. CF4-Gas benutzt, bei dessen Zersetzung ein chemisch aktives Gas entsteht, so reagiert das um den auf eine hohe Temperatur erhitzten Innenleiter herum angeordnete Isolatorrohr örtlich mit der erzeugten chemisch aktiven Gaskomponente und das Isolatorrohr wird zerstört. In der Praxis kann deshalb mit CF4 oder dergleichen nicht geätzt werden. Im vorliegenden Fall wird selbst bei Verwendung von CF₄ oder dergleichen das Isolatorrohr nicht zerstört, da kein Teil örtlich erhitzt wird. Auf diese Weise kann selbst mit chemisch aktiven Gasen, wie z. B. CF₄, CCU und BCI3 geätzt werden.

F i g. 5 zeigt eine noch weitere Ausführungsform der beschriebenen Plasma-Ätzvorrichtung. Ein aus Quarzglas bestehender Zylinder 10, der zur Erleichterung der Mikrowellenausbreitung geringe Verunreinigungen enthält, ist im runden Hohlleiter 11 so angeordnet, daß sich einerseits die Mikrowelle ausbreiten und andererseits ein Vakuum aufrechterhalten werden kann. Orthogonal zur Richtung des hochfrequenten elektrischen Felds wird mit Hilfe von Magnetfeldspulen 9 ein magnetisches Feld, vorzugsweise ein statisches magnetisches Feld vom Spiegel- oder Reflektortyp (mirror type) überlagert, so daß im Vakuum vorhandenen Elektronen Energie aus dem elektrischen Mikrowellenfeld aufnehmen und sich spiralig bewegen. Die Elektronen stoßen mit den über die Gaslecköffnung 8 zugeführten Gasmolekülen zusammen und ionisieren diese, womit ein Plasma erzeugt wird. Beispielsweise wurde bei einem Magnetfeld von 1600 Gauss und Mikrowellen von 2,45 GHz ein Plasma mit einer Elektronentemperatür von etwa 6 eV und einer Elektronendichte von etwa 10¹ '/cm³ bei Argongas von 10-⁴ Torr erhalten. Selbst bei Verwendung von CF4 als aktivem Gas wurde in etwa gleichem Maß ein Plasma erhalten. Wenn das Potential des Plasmas auf Null verringert ist, so erhält ein in das Plasma eingebrachtes Objekt ein erdfreies, schwimmendes Potential Vf. Das erdfreie Potential VV ist näherungsweise gegeben durch:

^vr =

kT,

In

m M

hierbei bedeutet

k Boltzmannsche Konstante

T_e Plasma-Elektronentemperatur

r Elektronenladung

in Elektronenmasse

M lonenmasse

Im vorliegenden Fall haben tatsächliche Messungen ergeben, daß die Elektronentemperatur des Plasmas bei

etwa 6 eV liegt. Für F + -Ionen als Gasionen wird das erdfreie Potential zu

VV* -22 V.

Dies bedeutet, daß das Substrat, selbst wenn es im Plasma nicht mit einer zugeführten Spannung beaufschlagt wird, auf einem Potential von etwa —20 V liegt, womit die Ionen auf etwa 20 eV beschleunigt werden und auf das Substrat auftreffen. Die Stromdichte ist 1 bis 2 Größenordnungen cder mehr höher als bei herkömmlichen Vorrichtungen und die Arbeitsgeschwindigkeit nimmt nicht ab. Wird mit Hilfe der vorstehenden Ausführungsform ein Siliziumeinkristall mit CF₄-GaS geätzt, ohne daß an das Substrat eine Spannung angelegt wird, so kann es mit einer Geschwindigkeit von in der Größenordnung 0,1 μιη pro Minute bearbeitet werden. Liegt an dem Substrat ein negatives Potential von 500 V bezogen auf das Plasma-Potential an, so kann das Substrat mit einer Geschwindigkeit von in der Größenordnung 1 (im bearbeitet werden. Für die Ätzgeschwindigkeit der als Maske benutzten Fotoabdeckung ergab sich ein Wert, der um eine oder mehr Größenordnungen kleiner war als bei Silizium. Auch das eingearbeitete Profil war besser als bei herkömmlichen Hochfrequenz-Plasma-Ätzvorrichtungen. Die Substratvergiftung aufgrund von Verunreinigungen war genauso groß wie bei Plasma-Ätzvorrichtungen mit quarzglasbedeckter Berandung.

Auf diese Weise kann außerordentlich günstig das in hohem Maß mit dem zu verarbeitenden Material reagierende Gasplasma im magnetischen und elektrischen Feld erzeugt werden. Der Entladungsbereich liegt innerhalb des Behälters, der den Isolator als Umfangswand benutzt, so daß das Eindringen von Verunreinigungen aufgrund der Zusammenstöße des Plasmas verhindert wird und das zu verarbeitende Substrat im Entladungsraum gehalten werden kann.

Im Unterschied zu den vorstehend anhand der Zeichnungen erläuterten Ausführungsfortnen der beschriebenen Plasma-Ätzvorrichtung kann an Stelle des dem runden Hohlleiter die Mikrowellen zuführenden Rechteckhohlleiters auch ein Hohlleiter eines anderen Typs, beispielsweise ein Koaxialhohlleiter oder ein runder Hohlleiter, benutzt werden. Die Kopplung zwischen dem die Mikrowellen zuführenden Hohlleiter und dem runden Hohlleiter muß nicht, wie es in den Zeichnungen dargestellt ist, orthogonal erfolgen. Cs kann jede Kopplungsform benutzt werden, sofern sich die Mikrowellen ausbreiten können.

Da das Isolatorrohr oder der Zylinder lediglich die Mikrowellen weiterleiten und ein Vakuum aufrechterhalten soll, beschränkt sich ein Material nicht auf Quarzglas. Genausogut kann Tonerde-Porzeiian usw. verwendet werden.

Die Außenwand des Entladungsbereichs 5 der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung kann mit einem der vorstehend erläuterten Isolatormaterialien beschichtet sein, wodurch ein ähnlicher Effekt erzielt wird.

Beim Ätzen des Substrats mit dem zugeführten Gas, beispielsweise Ar, muß an dem Substrat ein vorbestimmtes Potential anliegen. Beim chemischen Ätzen mit einem chemisch aktiven Gas, beispielsweise CF₄, kann das Substrat jedoch auf dem erdfreien, schwimmenden Potential gehalten werden.

Neben CF₄ können als aktives Gas auch C₂F^, C3F8, CCl₄,CF₂CIj oder BCI₃ benutzt werden.

Die vorstehend im einzelnen erläuterte Plasma-Ätzvorrichtung ist frei von thermischer oder elektrischer Zerstörung und liefert durch Mikrowellen-Entladung gute Ätzhomogenitäten. Sie läßt sich in industriellem Rahmen sehr wirtschaftlich zur Oberflächenverarbeitung und Oberflächenbehandlung von Halbleitern usw. einsetzen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Plasma-Ätzvorrichtung zur Behandlung der Oberfläche eines Substrats mit im Plasma eines Entladungsraums erzeugten Ionen, Atomradikalen und/oder Molekülresten, umfassend einen Mikrowellengenerator, einen die Mikrowellen führenden Wellenleiter, Kopplungseinrichtungen, die die Mikrowellenenergie dem Entladungsraum zuführen, einen an den Enüadungsraum ein äußeres Magnetfeld anlegenden Magnetfelderzeuger und eine Gaslecköffnung über die ein Entladungsgas in den Entladungsraum einführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Mikrowellenenergie zuführende Kopplungseinrichtung als runder Hohlleiter (11) ausgebildet ist und daß der Entiadungsreum (5) innerhalb des runden Hohlleiters (11) angeordnet ist.

2. PJasma-Ätzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsraum (5) durch einen Isolator (7) vom runden Hohlleiter (11) getrennt ist.

3. Plasma-Ätzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem runden Hohlleiter (11) ein aus isolierendem Material hergestellter Behälter (10) angeordnet ist und daß der Entladungsraum in dem Behälter (10) vorgesehen ist.

4. Plasma-Ätzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (10) aus einem Material besteht, welches aus einer Quarzglas und Tonerde-Porzellan enthaltenden Gruppe gewählt ist.

5. Plasma-Ätzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Mikrowellen führende Wellenleiter als Rechteckhohlleiter (2) ausgebildet ist und daß der runde Hohlleiter (II) derart konstruiert ist, daß seine Achse im Abstand von einem Viertel einer Hohlleiterweüenlänge (X_s) von einem Ende des Rechteckhohlleiters (2) angeordnet ist.

II)