DE3801205C1 - Device for ion etching of substrates with the support of a magnetic field - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Magnetfeld-unterstützten Ionenätzen von Substraten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Vorrichtungen sind aus einer Reihe von Veröffentlichungen, beispielsweise dem IBM-Technical Disclosure Bulletin, Vol. 26, S. 3848 f., Dezember 1983, Journal Electrochem. Soc., April 1985, f., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 20, S. L817 f. (1981), Solid State Technology, November 1984, S. 117 f. bekannt.

Allen aus diesen Druckschriften bekannten Vorrichtungen ist gemeinsam, daß zusätzlich zu der Elektrodenanordnung, an die eine hochfrequente Spannung angelegt ist, die das in einem Rezipienten enthaltene Gas ionisiert, und an deren Kathode angrenzend das Substrat angeordnet ist, eine Magnetanordnung vorgesehen ist, die ein (quasi-) statisches Magnetfeld erzeugt. Durch das magnetische Feld kann das Plasma, das durch das hochfrequente (Magahertz-Bereich) elektrische Feld erzeugt wird, intensiviert werden. Die Elektronendichte im Plasma steigt dabei um eine Größenordnung. Da im Plasma quasi Neutralität angenommen wird, steigt auch die extrahierbare Ionenstromdichte. Dies führt zu einer um den Faktor 2 bis 10 erhöhten Ätzrate.

Dabei ist die Elektrode, die durch die Hochfrequenz gespeist wird, kleiner als die Gegenelektrode ausgebildet, damit sich aufgrund der ambipolaren Diffusion von Elektronen und Ionen im zeitlichen Mittel ein elektrisches Gleichfeld zwischen Plasma und der Kathode ausbilden kann. Dieses Feld beschleunigt die Ionen auf die zu ätzende Oberfläche hin. Als Maß hierfür wird üblicherweise die zeitlich gemittelte Spannung zwischen Kathode und Gegenelektrode, die sogenannte DC-Self-Bias, verwendet. Statische Magnetfelder bewirken eine Senkung der DC-Self-Bias und somit eine Verminderung der Substratschädigung.

Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen zum Magnetfeldunterstützten Ionenätzen von Substraten ist jedoch, daß die Ätzrate beispielsweise bei einem Siliziumwafer mit einem Durchmesser von 100 mm die Oberfläche nicht konstant ist. Zum andern sind die Verhältnisse zwischen der Ätzrate einer abzutragenden Schicht und der einer möglichst wenig abzutragenden Schicht zu gering, d. h. die Ätzprozesse sind nicht ausreichend selektiv.

Ein weiterer gravierender Nachteil der bekannten Vorrichtungen ist, daß es beim Ätzen von Isolatorschichten zu starken Aufladungen des Isolators und infolge hiervon zu Durchschlägen und Beschädigungen sowohl der Schicht als auch des darunterliegenden Substratmaterials kommen kann. Die Durchschläge machen sich durch kurze, lokal eng begrenzte Leuchterscheinungen (Funkeln) bemerkbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Magnetfeld-unterstützten Ionenätzen von Substraten derart weiterzubilden, daß auch bei vergleichsweise großen Substraten eine homogene Ätzrate über die gesamte Substratfläche erzielt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Magnetanordnung zur Erzeugung eines räumlich ausgedehnten Feldes im Bereich der Kathode, deren Feldlinien parallel zu den elektrischen Feldlinien der DC-Self-Bias verlaufen, zwei ringförmige eisenfreie Spulen aufweist, die oberhalb und unterhalb der Kathode angeordnet sind und deren Abstände zu der Kathode gleich sind, und daß die die Symmetrieachse der Zylindergeometrie aufweisenden Elektrodenanordnung mit der Mittelachse der Spulen zusammenfällt.

Durch diese Ausbildung hat die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Reihe von Vorteilen:
Durch die erfindungsgemäß gewählte Magnetanordnung ist die Homogenität der magnetischen Flußdichte in einer Ebene mittig zwischen den Spulen sehr hoch und liegt typischerweise bei <±5%. Hierdurch erhält man eine Ätzraten- Gleichmäßigkeit in der gleichen Größenordnung.

Vor allem aber läßt sich durch die eisenfreie Magnetanordnung die magnetische Feldstärke leicht durch den durch die Spulen fließenden Strom steuern, so daß sichdie Ätzprozesse insbesondere hinsichtlich ihrer Selektivität sehr viel besser optimieren lassen als in mit Permanentmagneten ausgerüsteten Vorrichtungen. Insbesondere kann eine Steuereinheit vorgesehen werden, die den durch die Spulen fließenden Strom zur Steuerung der Ätzrate steuert.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die im Anspruch 2 gekennzeichnete Helmholtz-Anordnung der beiden ringförmigen Spulen wird die bereits sehr gute Homogenität der Flußdichte über den gesamten Querschnitt des Substrats weiter verbessert. Bei geeigneten Auslegungen sind Homogenitäten in der Größenordnung von ± 3% und besser erreichbar.

Die im Anspruch 3 gekennzeichnete Verwendung einer weiteren Elektrode hat den besonderen Vorteil, daß durch die floatende Zwischenelektrode Durchschläge beim Ätzen von Isolatorschichten sicher vermieden werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere baulicher Art, sind in den Ansprüchen 4 f. gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigt

Fig. 1 einenQuerschnitt durch eine Vorrichtung und

Fig. 2 die mit der Vorrichtung erzielbare Ätzrate als Funktion der magnetischen Flußdichte B.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist einen Rezipienten 1 auf, in dem eine wassergekühlte Kathode 2 angeordnet ist, die über eine Leitung 3 mit einem nichtdargestellten Hochfrequenzgenerator verbunden ist. Auf der Kathode 2 ist das zu ätzende Substrat 4, beispielsweise ein Silizium-Wafer mit einem Durchmesser von 100 mm angeordnet. Ferner weist der Rezipient 1 einen Gaseinlaß 5 und einen Gasauslaß 6, der beispielsweise mit einer Vakuumpumpe verbunden sein kann, auf, und stellt in an sich bekannter Weise die Gegenelektrode dar.

Es sind zwei Spulen 7 und 8 vorgesehen, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel außerhalb des Rezipienten angeordnet sind, und deren Durchmesser gleich ihrem Abstand ist, so daß die Spulen eine sogenannte Helmholtz-Anordnung bilden. Durch diese Anordnung ist das magnetische Feld B in der Ebene mittig zwischen den beiden Spulen, d. h. in der Ebene des Substrats 4, außerordentlich homogen; die Schwankungen über den Durchmesser des Substrats 4 liegen dabei typischerweise im Bereich von ±3%.

Zusätzlich ist eine weitere Elektrode bzw. eine Zwischenelektrode 9 vorgesehen, die eine Öffnung 9′ aufweist und isoliert angeordnet ist. Hierzu liegt die Elektrode 9 durch einen Teflon-O-Ring 10 getrennt auf der Kathode 2 auf.

In Fig. 1 sind ferner die Richtung der magnetischen Flußdichte B bzw. des magnetischen Feldes und des elektrischen Feldes sowie die Ausdehnung der Plasmawolke eingezeichnet.

Im folgenden werden exemplarisch typische Daten für das Ausführungsbeispiel angegeben.

Um Substrate mit einem Durchmesser von 100 mm ätzen zu können, bestehen die Spulen aus glasfaser-ummanteltem Rechteckkupferdraht. Der Spulendurchmesser beträgt 400 mm. Bei einer Stromstärke von 50 Ampere ist die Flußdichte im Substratbereich 0,01 Tesla.

Die Zwischenelektrode 9 besteht aus Aluminium und hat die Maße 350×170×2 mm. Die mittige Bohrung bzw. Öffnung 9′ hat einenDurchmesser von 94 mm. Der O-Ring, über den die Elektrode 9 auf der Kathode 2 aufliegt, hat einen Durchmesser von 118 mm und eine "Schnurstärke" von 2 mm.

Die bei dieser Anordnung erzielte Ätzraten-Gleichmäßigkeit ist besser als ±5%. Durchschläge beim Ätzen von Isolatorschichten werden durch die "floatende" Zwischenelektrode 9 sicher vermieden.

Fig. 2 zeigt die Ätzrate (nm/min) als Funktion der magnetischen Flußdichte B und insbesondere die mit der Anordnung erreichte Selektivität. Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, steigt mit zunehmendem axialen Magnetfeld die Silizium-Ätzrate an, während gleichzeitig die Oxid-Ätzrate absinkt. Dies bedeutet, daß mit zunehmendem Magnetfeld beispielsweise bei der Herstellung von Polysilizium-Gates auf einem dünnen Gate-Oxid die Selektivität des Ätzens von Silizium zum Gate-Oxid drastisch ansteigt.

Die Prozeßparameter in Fig. 2 sind:

Massenfluß CHF₃ = 22 sccm,
Massenfluß SF₆ = 15 sccm,
Kammerdruck p = 1,3 PA,
HF-Leistung p = 400 Watt.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Magnetfeld-unterstützten Ionenätzen von Substraten (4),
mit einer Elektrodenanordnung (2,1), an die eine hochfrequente Spannung angelegt ist, die ein Gas in einem Rezipienten (1) ionisiert, und an deren Kathode angrenzend das Substrat angeordnet ist, und
mit einer Magnetanordnung zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes,
dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung zur Erzeugung eines räumlich ausgedehnten Feldes im Bereich der Kathode (2), deren Feldlinien parallel zu den elektrischen Feldlinien der DC-Self-Bias verlaufen, zwei ringförmige eisenfreie Spulen (7, 8) aufweist, die oberhalb und unterhalb der Kathode angeordnet sind und deren Abstände zu der Kathode gleich sind, und
daß die Symmetrieachse der Zylindergeometrie aufweisenden Elektrodenanordnung mit der Mittelachse der Spulen (7, 8) zusammenfällt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der beiden ringförmigen Spulen (7, 8) gleich ihrem Abstand ist (Helmholtz-Anordnung).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem angrenzend an die Kathode (2) angeordneten Substrat (4) und der Gegenelektrode (1) eine weitere Elektrode (9) vorgesehen ist, die gegenüber der Elektrodenanordnung isoliert ist und eine Ausnehmung (9′) aufweist, deren Durchmesser geringfügig kleiner als der Durchmesser des Substrats ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Elektrode (9) ein Aluminiumblech ist, das über einen O-Ring (10) aus einem isolierenden Material auf der Kathode (2) aufliegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der O-Ring (10) aus Teflon besteht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rezipient (1) ebenfalls Zylindergeometrie aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Spulen (7, 8) außerhalb des Rezipienten (1) angeordnet sind.