DE3801205C1 - Device for ion etching of substrates with the support of a magnetic field - Google Patents
Device for ion etching of substrates with the support of a magnetic fieldInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Magnetfeld-unterstützten Ionenätzen von Substraten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for magnetic field-assisted Ion etching of substrates according to the Preamble of claim 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.Such devices are from a number of publications, for example the IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 26, pp. 3848 f., December 1983, Journal Electrochemical. Soc., April 1985, f., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 20, pp. L817 f. (1981) Solid State Technology, November 1984, pp. 117 f. known.
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.All devices known from these publications is common that in addition to the electrode arrangement, to which a high-frequency voltage is applied, that the Gas contained in a recipient ionizes and on whose cathode is arranged adjacent to the substrate, one Magnet arrangement is provided which is a (quasi) static Magnetic field generated. The magnetic field can the plasma generated by the high-frequency (Magahertz range) electric field is generated, intensified. The electron density in the plasma increases by one Magnitude. Since neutrality was assumed in the plasma the extractable ion current density also increases. This leads to an increased etching rate by a factor of 2 to 10.
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.The electrode is fed by the high frequency is made smaller than the counter electrode, hence due to the ambipolar diffusion of electrons and ions on average an electrical one Can form the same field between the plasma and the cathode. This field accelerates the ions to the one to be etched Surface. The measure of this is usually the voltage averaged over time between cathode and counter electrode, the so-called DC self-bias. Static Magnetic fields reduce the DC self-bias and thus a reduction in substrate damage.
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.A disadvantage of the known devices for magnetic field support However, ion etching of substrates is that the etching rate with, for example, a silicon wafer a diameter of 100 mm the surface is constant. On the other hand, there are the relationships between the etching rate of a layer to be removed and one layer to be removed as little as possible, d. H. the Etching processes are not sufficiently selective.
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.Another serious disadvantage of the known devices is that when etching insulator layers too strong charges on the insulator and as a result thereof Punctures and damage to both the layer and can also come from the underlying substrate material. The breakthroughs are made up of short, locally limited ones Illuminations (sparkle) noticeable.
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.The invention has for its object a device for magnetic field-assisted ion etching of substrates to develop such that even with comparatively large Substrates have a homogeneous etching rate over the entire substrate area is achieved.
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.This object is achieved in that the magnet assembly for generation a spatially extended field in the area of the cathode, whose field lines are parallel to the electrical field lines the DC self-bias run, has two annular iron-free coils above and are arranged below the cathode and their distances from the Cathode are the same, and that the the axis of symmetry of the Cylinder geometry having the electrode arrangement with the Central axis of the coils coincides.
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.With this design, the device according to the invention has a number of advantages:
Due to the magnet arrangement chosen according to the invention, the homogeneity of the magnetic flux density in a plane centered between the coils is very high and is typically <± 5%. This results in an etch rate uniformity of the same order of magnitude.
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.But above all, the iron-free magnet arrangement the magnetic field strength easily through the through the Control coils flowing current so that the etching processes especially with regard to their selectivity can be optimized much better than in permanent magnets equipped devices. In particular, a Control unit can be provided by the coils controls flowing current to control the etch rate.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Further developments of the invention are in the subclaims specified.
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. By the Helmholtz arrangement characterized in claim 2 of the two ring-shaped coils is already very good homogeneity of the flux density over the entire cross-section of the substrate further improved. With suitable Interpretations are homogeneities on the order of ± 3% and more accessible.
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.The use of another characterized in claim 3 The electrode has the particular advantage that Floating intermediate electrode breakdowns when etching Insulator layers can be safely avoided.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere baulicher Art, sind in den Ansprüchen 4 f. gekennzeichnet.Further advantageous embodiments of the invention Device, in particular of a structural type, are in the claims 4 f. featured.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigtAn embodiment of the invention is shown below described in more detail with reference to the drawing, in the shows
Fig. 1 einenQuerschnitt durch eine Vorrichtung und Fig. 1 shows a cross section through a device and
Fig. 2 die mit der Vorrichtung erzielbare Ätzrate als Funktion der magnetischen Flußdichte B. Fig. 2 shows the etch rate achievable with the device as a function of the magnetic flux density 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.The device shown in Fig. 1 has a recipient 1 , in which a water-cooled cathode 2 is arranged, which is connected via a line 3 to a radio frequency generator, not shown. The substrate 4 to be etched, for example a silicon wafer with a diameter of 100 mm, is arranged on the cathode 2 . Furthermore, the recipient 1 has a gas inlet 5 and a gas outlet 6 , which can be connected, for example, to a vacuum pump, and represents the counter electrode in a manner known per se.
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%.Two coils 7 and 8 are provided, which in the exemplary embodiment shown are arranged outside the recipient, and whose diameter is equal to their distance, so that the coils form a so-called Helmholtz arrangement. With this arrangement, the magnetic field B is extremely homogeneous in the plane centered between the two coils, ie in the plane of the substrate 4 ; the fluctuations over the diameter of the substrate 4 are typically in the range of ± 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 addition, a further electrode or an intermediate electrode 9 is provided, which has an opening 9 ' and is arranged insulated. For this purpose, the electrode 9 lies on the cathode 2 separated by a Teflon O-ring 10 .
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.In Fig. 1, the direction of the magnetic flux density B or the magnetic field and the electric field and the extent of the plasma cloud are also shown.
Im folgenden werden exemplarisch typische Daten für das Ausführungsbeispiel angegeben.The following are typical data for the Embodiment specified.
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.To etch substrates with a diameter of 100 mm the coils are made of fiberglass-coated Rectangular copper wire. The coil diameter is 400 mm. At a current of 50 amperes, the flux density is Substrate area 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. The intermediate electrode 9 is made of aluminum and has the dimensions 350 × 170 × 2 mm. The central bore or opening 9 ' has a diameter of 94 mm. The O-ring over which the electrode 9 rests on the cathode 2 has a diameter of 118 mm and a "cord thickness" of 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.The etch rate uniformity achieved with this arrangement is better than ± 5%. Breakdowns during the etching of insulator layers are reliably avoided by the “floating” intermediate electrode 9 .
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. Fig. 2 shows the etching rate (nm / min) as a function of the magnetic flux density B, and in particular the selectivity achieved with the arrangement. As can be seen in FIG. 2, the silicon etching rate increases with increasing axial magnetic field, while the oxide etching rate decreases at the same time. This means that with increasing magnetic field, for example in the manufacture of polysilicon gates on a thin gate oxide, the selectivity of the etching of silicon to the gate oxide increases drastically.
Die Prozeßparameter in Fig. 2 sind:The process parameters in Fig. 2 are:
Massenfluß CHF₃ = 22 sccm,
Massenfluß SF₆ = 15 sccm,
Kammerdruck p = 1,3 PA,
HF-Leistung p = 400 Watt.Mass flow CHF₃ = 22 sccm,
Mass flow SF₆ = 15 sccm,
Chamber pressure p = 1.3 PA,
RF power p = 400 watts.
Claims (7)
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.1. Device for magnetic field-assisted ion etching of substrates ( 4 ),
with an electrode arrangement ( 2, 1 ) to which a high-frequency voltage is applied, which ionizes a gas in a recipient ( 1 ), and the substrate of which is arranged adjacent to the cathode, and
with a magnet arrangement for generating a static magnetic field,
characterized in that the magnet arrangement for generating a spatially extended field in the region of the cathode ( 2 ), the field lines of which run parallel to the electrical field lines of the DC self-bias, has two ring-shaped iron-free coils ( 7, 8 ) which are above and below the cathode are arranged and their distances from the cathode are the same, and
that the axis of symmetry of the cylinder geometry having the electrode arrangement coincides with the central axis of the coils ( 7, 8 ).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19883801205 DE3801205C1 (en) | 1988-01-18 | 1988-01-18 | Device for ion etching of substrates with the support of a magnetic field |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE19883801205 DE3801205C1 (en) | 1988-01-18 | 1988-01-18 | Device for ion etching of substrates with the support of a magnetic field |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3801205C1 true DE3801205C1 (en) | 1989-03-23 |
Family
ID=6345441
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19883801205 Expired DE3801205C1 (en) | 1988-01-18 | 1988-01-18 | Device for ion etching of substrates with the support of a magnetic field |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| DE (1) | DE3801205C1 (en) |
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- 1988-01-18 DE DE19883801205 patent/DE3801205C1/en not_active Expired
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