DE3750808T2

DE3750808T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ionenätzung.

Info

Publication number: DE3750808T2
Application number: DE3750808T
Authority: DE
Inventors: Frank Keeble
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-12-11
Filing date: 1987-12-10
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2007-12-11
Also published as: GB8629634D0; EP0271341A3; US4844775A; DE3750808D1; EP0271341B1; JPS63174321A; EP0271341A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines induktiv erregten Plasmas als homogene Ionenquelle mit großer Fläche.
Aktive Ionenätzung (RIE) ist eine Trockenätztechnik, die vornehmlich zur Herstellung von Halbleiterscheiben benutzt wird. Das Verfahren besteht darin, ein Gas oder ein Gasgemisch zu ionisieren, um ein Plasma zu erzeugen, das angeregte und ionisierte atomare oder molekulare Teilchen enthält, die mit dem zu ätzenden Material reagieren. Die Probe, die teilweise geätzt werden soll, wird in der Nähe oder innerhalb des Plasmas angeordnet und derart unter Vorspannung gesetzt, daß die ionisierten Teilchen auf die zu ätzende Oberfläche auftreffen. Dies kann in der Weise durchgeführt werden, daß das Substrat an ein negatives Potential angeschlossen wird, das allgemein als Vorspannung bezeichnet wird, wenn die Ionen, die hauptsächlich positiv geladen sind, an das Substrat angezogen werden. Da das Substrat im allgemeinen isolierend ist, wird üblicherweise eine Hochfrequenzstromquelle benutzt, so daß Ionen und Elektronen abwechselnd an das Substrat gezogen werden und obschon im Gleichgewichtszustand üblicherweise eine mittlere Spannung eingerichtet wird, wird die Oberfläche laufend beschossen, solange die Hochfrequenzstromquelle angelegt ist.
Aktive Ionenätzung kann in der Weise durchgeführt werden, daß eine einzige Hochfrequenzstromquelle benutzt wird, die an die Elektrode angelegt wird, die das Substrat trägt, während der übrige Teil der Vorrichtung oder eine zweite Elektrode geerdet ist. Obschon es sich dabei um eine einfache Methode handelt, ist sie mit dem Nachteil behaftet, daß die Stärke der Vorspannung und die Plasmaintensität und damit die Anzahl der Ionen, die für den Beschuß der Oberfläche zu Verfügung stehen, direkt miteinander in Verbindung stehen und somit nicht unabhängig voneinander verändert werden können.
Es wurden verschiedene Techniken für den Versuch benutzt diese Einschränkung zu beheben, insbesondere wurde bei einigen Verfahren zur Erzeugung des Plasmas Mikrowellenstrom verwendet. Dies ermöglicht höhere Plasmadichten und erweitert den Druckbereich nach unten bis etwa 0,01 Pa (1x10&supmin;&sup4;Torr). Das Verfahren ist jedoch kompliziert, aufwendig und schwierig gegen unerwünschte Strahlung abzuschirmen. Im Gegensatz dazu wird erfindungsgemäß ein induktiv angeschlossener Hochfrequenzs-Plasmagenerator benutzt, um die Ionenquelle einzurichten, während das Substrat, wie vorstehend beschrieben, unter einer Vorspannung steht.
Allgemein gesagt, betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Trockenätzen von Halbleiterscheiben oder anderen Werkstücken bei einem zwischen 10&supmin;³ und 4 Pa liegenden Druck, die aus einer Vakuumkammer mit Einrichtungen zum Anschluß einer Vakuumpumpe und Einrichtungen zum Anschluß an eine Quelle eines ausgewählten Gases, einer Induktionsspule, die einen Teil der Kammer umgibt und an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist, um innerhalb dieses Teils der Kammer ein Plasma enthaltende ionisierte Elemente dieses Gases zu erzeugen und einer in der Kammer angeordneten Auflage für das Werkstück besteht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Auflage eine Elektrode bildet und daß die Vorrichtung ferner Einrichtungen enthält, mit denen die Elektrode unter Vorspannung gesetzt wird, so daß zwischen der Auflage und dem Teil der Kammer, in dem sich das Plasma befindet, ein elektrisches Feld erzeugt wird, um Ionen aus dem Plasma auf die Auflage zu extrahieren oder zu entziehen.
Vorzugsweise enthält die Vorrichtung Einrichtungen zum Steuern und Regulieren des elektrischen Feldes, sowie Einrichtungen zum Steuern und Regulieren des der Induktionsspule zugeführten Stromes. Die Erfindung stellt eine unabhängige Beziehung zwischen dem Plasma und dem elektrischen Feld sicher und enthält vorzugsweise Einrichtungen, mit denen das elektrische Feld und der der Induktionsspule zugeführte Strom unabhängig voneinander steuerbar und regulierbar sind.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Trockenätzen einer Halbleiterscheibe oder eines anderen Werkstückes, bei dem das Werkstück auf eine Unterlage in einer Vakuumkammer aufgelegt wird, in der ein Unterdruck erzeugt wird, ein ausgewähltes Gas geregelt eingeleitet und ein Gasplasma innerhalb eines Teils der Kammer mittels einer Induktionsspule erzeugt wird, die diesen Teil der Kammer umgibt, wobei die Plasmaintensität durch Steuern einer an die Spule angelegten Wechselstromquelle gesteuert und reguliert wird. Die Erfindung sieht vor, daß die Kammer auf einen zwischen 10&supmin;³ und 4 Pa liegenden Unterdruck evakuiert wird, und daß die ionisierten Teilchen aus dem Plasma auf das Werkstück extrahiert werden, indem an die Unterlage, die eine Elektrode bildet, eine Vorspannung angelegt wird, um innerhalb der Kammer zwischem dem Plasma und dem Werkstück ein elektrisches Feld zu erzeugen.
Induktiv erregtes Plasma weist eine Reihe von Merkmalen auf, die sich auf das vorliegende Anwendungsgebiet vorteilhaft auswirken:
1. Die Wicklung, die das Plasma induziert, kann, falls erwünscht, außerhalb des Vakuums angeordnet werden, um auf diese Weise jede Verunreinigung des Plasmas zu vermeiden.
2. Die Ionendichte innerhalb des Plasmas ist gleichförmig über einen großen Bereich des Durchmessers der Erregerwicklung.
3. Die induktive Erregung ist leistungswirksam aufgrund des inhärenten Elektroneneinfangmechanismus.
4. Ebenfalls als Folge des Einfangens ist die Plasmaerregung bei Drucken möglich, die in einem niedrigen Bereich von 0,001 Pa (10&supmin;&sup5; Torr) liegen.
5. Ebenfalls infolge des Einfangens sind hohe Ionendichten im Bereich von 10¹&sup7;/m³ bei niedrigen Drucken möglich.
6. Das erzeugte Plasma befindet sich auf einem niedrigen Energieniveau. Dies wird bewiesen durch niedrige Elektronentemperaturen und mittlere Ionenenergie und dadurch, daß das Plasmapotential niedrig ist.
7. Die Ionendichte steht in einem direkten Verhältnis zu der benutzten Hochfrequenz-Erregerleistung und ist über einen weiten Bereich unabhängig von dem Druck. Dadurch ist es möglich, die Ionendichte und damit den extrahierten Ionenstrom genau zu steuern.
8. Die induktive Erregung ist von sich aus einfach in der Praxis durchzuführen; infolgedessen ist sie betriebssicher und verhältnismäßig billig.
Die Erfindung kann auf verschiedene Weise verwirklicht werden; zwei Ausführungsbeispiele werden anhand der Zeichnung im folgenden beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm, auf dem das Grundprinzip der Erfindung dargestellt ist und
Fig. 2 eine teilweise geschnittene schematische Darstellung einer Vorrichtung zum aktiven Ionenätzen gemäß vorliegender Erfindung.
Fig. 1 zeigt schematisch wie die Erregung und die Extraktion der Ionen erreicht wird. Eine Wicklung 1 wird unter Vakuum mit Hochfrequenzstrom beaufschlagt, wobei der Gasdruck in der Größenordnung von 0,1 Pa (10&supmin;³Torr) liegt. Es wird ein Plasma 3 erzeugt und eine Elektrode 2, die auf einem negativen Potential gehalten wird, entzieht einen Ionenstrom 4 gegen die Elektrode.
Bei dem auf Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Vorrichtung aus einer Vakuumkammer 10 mit einem Stutzen 11 zum Anschluß an eine Vakuumpumpe und einem weiteren Stutzen 12 zum Anschluß an eine Quelle des zu ionisierenden Gases, z. B. Tetraflurkohlenstoff, Chlor oder Siliziumtetrachlorid. Die Halterung oder der Tisch 13 innerhalb der Kammer legt die Lage des Substrates 14 fest und ist über eine von der Kammerwandung isolierte Leitung 15 an eine äußere Stromquelle 16 angeschlossen, deren andere Klemme geerdet ist. Am entgegengesetzten Ende der Kammer befindet sich eine Gegenelektrode 17, die über eine Leitung 18, die von der Kammerwandung isoliert ist, geerdet ist. Auf diese Weise wird ein elektrisches Feld zwischen der Elektrode 17 und der Substrathalterung 13 erzeugt; dieses Feld kann durch Steuern der elektrischen Stromquelle 16 reguliert werden.
Die Kammerwandung 10 ist von einer Induktionswicklung 20 umgeben, deren Achse sich in Richtung des Feldes zwischen der Elektrode 17 und der Halterung 13 erstreckt. Die Wicklung ist an eine äußere Hochfrequenzwechselstromquelle 21 angeschlossen und es können Einrichtungen vorgesehen sein, um ein Kühlmittel durch das hohle Rohr 22 zu leiten, aus dem die Wicklung 20 besteht. Auf diese Weise kann der Wicklung ein starker Hochfrequenzstrom zugeführt werden, um ein Gasplasma zu erzeugen, was dazu führt, daß ionisierte atomare oder molekulare Teilchen gegen das Werkstück bewegt werden und mit hoher Geschwindigkeit auf die zu ätzende Halbleiterscheibe auftreffen.
Die Stärke des elektrischen Stroms, der der Wicklung 20 zugeführt wird, kann, falls erforderlich, dadurch verändert werden, daß die Stromquelle 21 gesteuert wird, und zwar unabhängig von dem elektrischen Feld, das zwischen der Elektrode 17 und der Halterung 13 unter dem Einfluß der elektrischen Stromquelle 16 erzeugt wird. Eine wirksame, jedoch nicht notwendige Einrichtung zur Beaufschlagung der Erregerwicklung 20 besteht darin, parallel zu der Wicklung einen Kondensator 24 mit einem solchen Wert zu schalten, daß ein Parallelresonanzkreis an der Hochfrequenzstromquelle gebildet wird. Die Hochfrequenzstromquelle 21 wird an diesen Kreis über einen Wandler 25 angeschlossen, um die Versorgungsimpedanz auf die des die Wicklung und den Kondensator enthaltenden Kreises zu bringen. Dies führt zu einer wirksamen Stromübertragung in die Wicklung bis zu Frequenzen im niedrigen Megaherzbereich: Bei höheren Frequenzen hat sich ein übliches phi-Netzwerk als geeigneter erwiesen.
Mit dieser Vorrichtung kann eine aktive Ionenätzung durchgeführt werden, indem ein aktives Gas oder aktive Gase zur Aufrechterhaltung eines geeigneten Druckes in der Größenordnung von 4 bis 10&supmin;³ Pa (10&supmin;¹ bis 10&supmin;&sup5; Torr) durch Pumpen eingeleitet werden. Beispiele für aktive Gase sind Chlor, Siliziumtetrachlorid, Bortrichlorid, Tetrafluormethan, Trifluormethan und Sauerstoff. Das Gas bzw. die Gase werden in Abhängigkeit von dem Material, das geätzt werden soll und den genauen gewünschten Ergebnissen ausgewählt. Das Plasma wird zunächst auf die gewünschte Stufe erregt und dann wieder bis zu der gewünschten Stufe die Vorspannung aufgegeben. Ob die Ätzung vollendet ist kann durch eine Reihe bekannter Techniken, z. B. durch Plasma-Emissionsspektrometrie, Laser-Interferometrie oder Massenspektrometrie festgestellt werden. In bestimmten Fällen wird auch ein inertes Gas, z. B. Argon, Helium oder Xenon eingeleitet um die Ätzeigenschaften zu verändern.
Bei der Herstellung von Mikro-Kreisen muß die Prozeßtemperatur auf eine Höhe begrenzt werden, bei der selbst bei einer Plasmaaktivierung die Filmeigenschaften schlecht sind. Die Anwendung eines Ionenbeschusses der Oberfläche mit niedriger Energie während der Durchführung des Verfahrens führt zu einer Oberflächenenergie, die die Qualität des Filmes weitgehend verbessert. Es ist wichtig, daß die Ionenenergie niedrig gehalten wird während der Strom so einreguliert wird, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Ein Beschuß mit hoher Energie zerstört die meisten Filme. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders geeignet für diese Verfahrensweise.
Durch die Erfindung können die folgenden Vorteile erzielt werden:
1. Die Methode der induktiven Erregung und das Vorspannungssystem oder die Vorspannungssysteme, die innerhalb des Plasmas oder dem umgebenden Bereich benutzt werden, beeinflussen sich ausgenommen über das Plasma selbst nicht. Infolgedessen ist es möglich, einen Ionenstrom oder Ionenströme abzuziehen, deren Energie und Dichte nur in Abhängigkeit von dem Plasma selbständig eingestellt werden können.
2. Es können hohe Ionenstromdichten bei niedrigen Energien, z. B. etwa 50 A/m² bei 4x10&supmin;&sup8;J (25eV) unter Verwendung einer Erregerleistung von etwa 8kW/m³ extrahiert werden.
3. Der exahierte Ionenstrom ist gleichförmig über einen großen Bereich des Durchmessers der Wicklung.
4. Das System hat einen weiten Arbeitsdruckbereich von wenigstens 10&supmin;³ bis 4 Pa (10&supmin;&sup5; bis 3x10&supmin;² Torr) und möglicherweise noch weiter.
5. Der Ionenstrom ist über einen weiten Bereich unabhängig von dem Druck und wird bei hohem Druck durch einen kurzen mittleren freien Elektronenweg und damit durch Streuung unterhalb der Ionisationsenergie und bei niedrigem Druck durch einen langen mittleren freien Elektronenweg und damit einen Verlust des Einfangmechanismus begrenzt. Durch Einstellung der Ansteuerungsbedingungen der Erregung können die Grenzen entweder in Richtung unterer oder höherer Drucke für jede beliebige spezifische Anwendung verschoben werden.
6. Das System ist von sich aus, verglichen mit anderen möglichen Techniken, einfach durchzuführen und wirksam.
7. Bei Anwendung der Erfindung kann ein Verfahren mit dem erregten Plasma durch graduelle Vergrößerung der Vorspannung von 0 bis zu dem gewünschten Wert begonnen werden. In ähnlicher Weise kann die Vorspannung von dem größten Wert graduell nach unten auf 0 abgesenkt werden. Dies ist nicht möglich, wenn die Erregung und die Vorspannung durch dieselbe Quelle gespeist werden, da das Plasma nur oberhalb einer bestimmten Stärke aufrechterhalten werden kann. Dies ist äußerst wichtig bei der Herstellung von Halbleiterkreisen. Stör- oder Übergangsspannungen treten beim Einschalten der Vorspannung bei hoher Stufe auf. Diese können die dünnen isolierenden Schichten in den Speisekreisen zerstören und diese unwirksam machen.
8. Die Technik kann in einfacher Weise unter sehr reinen Bedingungen durchgeführt werden. Die Erregerwicklung und die Elektrode können außerhalb einer Quarzumhüllung liegen und die Halterung für das Substrat kann vollständig durch das Substrat abgedeckt werden oder sogar außerhalb der Hülle liegen. Die Vorspannung, für die ein Hochfrequenzstrom mit 13 MHz benutzt wird, kann durch eine Quarzwandung induziert werden.
Der Frequenzbereich für die induktive Erregung liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 100 kHz bis 13,6 MHz. Besondere in der Praxis wirksame Frequenzen sind 220 kHz, 450 kHz, 2 MHz und 13,56 MHz.
Es wird angenommen, daß der Erregungsmechanismus, auf dem die Erfindung beruht, auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß, wenn ein magnetisches Feld mit zylindrischer Symmetrie auf ein unter geringem Druck stehendes Gas einwirkt, Elektronen gezwungen werden, sich in Kreisen auf Ebenen zu bewegen, die senkrecht zu der Symmetrieachse des Feldes verlaufen. Elektronen, deren Umdrehungsradien deutlich geringer sind als der Umfang des Feldes, werden innerhalb des Feldvolumens eingefangen. In der Praxis gibt es Endverluste, die jedoch durch eine geeignete geometrische Gestalt, erheblich reduziert werden können. Wenn das magnetische Feld nun zum Schwingen gebracht wird, werden die Elektronen beschleunigt, wenn sich das Feld vergrößert und ihr Umdrehungsradius wird abnehmen. Umgekehrt werden sie während der Perioden, in denen sich das Feld verringert, verlangsamt. In der Praxis wird ein Wechselfeld benutzt, so daß pro Zyklus zwei Perioden mit einem Nullfeld auftreten, bei dem die Elektronen nicht eingefangen werden. Dies ist jedoch die Zeit mit minimaler Energie, so daß durch geeignete Auswahl der Frequenz und der Amplitude die Verluste während dieser Periode äußerst gering gehalten werden können. Wenn ferner die feldamplitude ausreichend erhöht wird, überschreitet die Spitze der Elektronenenergie die Energie der Gasionisation. Dadurch wird die Plasmadichte während jedes Halbzyklus vergrößert bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat. Da die Verluste im Gleichgewichtszustand gering sind, wird die Plasmadichte hoch und die Erregung bei niedrigen Drucken wirksam sein.
Es wird angenommen, daß die Verluste, die auftreten, an den Enden und zu einem geringeren Maß am Umfang des Feldvolumens liegen. Die Ionisation tritt vornehmlich an den Stellen auf, an denen die Spitzenfeldstärke am höchsten ist, d. h. in der Nähe der Erregerwicklungen. Diese zwei Effekte wirken zusammen und ergeben ein Plasma, das radial gleichförmig über den größten Teil des Durchmessers des Erregungsbereiches ist.
Von einem derartigen Plasma können Ionen als gleichförmiger Strom auf eine in bezug auf das Plasma negativ vorgespannte Elektrode extrahiert werden. Die Extraktion längs der Symmetrieachse wird im allgemeinen benutzt, um die natürliche Gleichförmigkeit quer zu dieser Achse auszunutzen. Der extrahierte Ionenstrom wird raumladungsneutralisiert durch Elektronen von dem Plasma; dies ist ein zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Technik.

Claims

1. Vorrichtung zum Trockenätzen von Halbleiterscheiben (14) oder anderen Werkstücken bei einem zwischen 10&supmin;³ und 4 Pa liegenden Druck, die aus einer Vakuumkammer (10) mit Einrichtungen (11) zum Anschluß an eine Vakuumpumpe und Einrichtungen (12) zum Anschluß an eine Quelle eines ausgewählten Gases, einer Induktionsspule (20), die einen Teil der Kammer umgibt und an eine Wechselstromquelle (21) angeschlossen ist, um innerhalb dieses Teils der Kammer (10) ein Plasma enthaltende, ionisierte Elemente dieses Gases zu erzeugen, und einer in der Kammer (10) angeordneten Auflage (13) für das Werkstück besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage (13) eine Elektrode bildet und daß die Vorrichtung ferner Einrichtungen enthält, mit denen die Elektrode unter Vorspannung gesetzt wird, so daß zwischen der Auflage (13) und dem Teil der Kammer (10), in dem sich das Plasma befindet, ein elektrisches Feld erzeugt wird, um Ionen aus dem Plasma auf die Auflage (13) zu extrahieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen (16) zum Steuern und Regulieren des elektrischen Feldes enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen (21) zum Steuern und Regulieren des der Induktionsspule zugeführten Stromes enthält.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen (16, 21) enthält, mit denen das elektrische Feld und der der Induktionsspule zugeführte Strom unabhängig voneinander steuerbar und regulierbar sind.

5. Verfahren zum Trockenätzen einer Halbleiterscheibe (14) oder eines anderen Werkstückes, bei dem das Werkstück auf eine Unterlage (13) in einer Vakuumkammer (10) aufgelegt wird, in der ein Unterdruck erzeugt wird, ein ausgewähltes Gas geregelt eingeleitet und ein Gasplasma innerhalb eines Teils der Kammer mittels einer Induktionsspule (20) erzeugt wird, die diesen Teil der Kammer umgibt, wobei die Plasmaintensität durch Steuern einer an die Spule (20) angelegten Wechselstromquelle gesteuert oder reguliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer auf einen zwischen 10&supmin;³ und 4 Pa liegenden Unterdruck evakuiert wird und daß die ionisierten Teilchen aus dem Plasma auf das Werkstück extrahiert werden, indem an die Unterlage, die eine Elektrode bildet, eine Vorspannung angelegt wird, um innerhalb der Kammer zwischen dem Plasma und dem Werkstück (14) ein elektrisches Feld zu erzeugen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld unabhängig von dem der Induktionsspule zugeführten Strom gesteuert wird.