DE3844034C2 - Vorrichtung zum Bearbeiten von Halbleiterscheiben unter Anwendung eines durch Elektronenzyklotronresonanz erzeugten Plasmas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Halbleiterscheiben.

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen wie Tran­ sistoren und integrierten Schaltungen werden Halbleiter­ substrate oder -scheiben Bearbeitungsschritten wie Dünnfilm­ bildung, Ätzen, Oxidation und Dotierung, unterzogen. Vor einiger Zeit wurde eine Bearbeitungsvorrichtung für Halblei­ terscheiben entwickelt, die ein Plasma verwendet, das durch eine Elektronenzyklotronresonanz-Entladung, die eine Art Mi­ krowellenentladung in einem Magnetfeld ist, erzeugt wird; diese Vorrichtung bietet einige Vorteile gegenüber kon­ ventionellen chemischen Bedampfungsvorrichtungen, u. a. niedrige Betriebstemperaturen und hohe Bearbeitungsgüte.

Das Japanese Journal of Applied Physics, Band 16, Nr. 11 (1977), Seite 1979-1984, zeigt eine Grundkonstruktion einer solchen Halbleiterscheiben-Bearbeitungsvorrichtung, die ein durch Elektronenzyklotronresonanz-Entladung erzeugtes Plasma verwendet.

Wie in Fig. 3 der Zeichnung dargestellt, umfaßt eine solche Vorrichtung im wesentlichen eine Scheibenbearbeitungskammer 1, die einen Träger 8 für eine Scheibe 9 enthält, und eine zylindrische Plasmaerzeugungskammer 2, die über der Scheiben­ bearbeitungskammer 1 angeordnet ist. In die Plasmaerzeugungs­ kammer 2 wird eine von einem Mikrowellengeber (nicht gezeigt) erzeugte Mikrowelle durch einen Rechteck- bzw. Kastenwellen­ leiter 3 eingeleitet, der Rechteckquerschnitt hat und einen Rechteck-Rund-Mikrowellenumformer 4 sowie eine Quarzplatte 2a aufweist. Ferner ist eine solenoidförmige Magnetspule 5 vor­ gesehen, die die Plasinaerzeugungskammer 2 umgibt zwecks Aus­ bildung eines Magnetfeldes in der Plasmaerzeugungskammer 2 und der Scheibenbearbeitungskammer 1. Eine Gaseintrittsöff­ nung 6 bzw. eine Gasaustrittsöffnung 7 sind in der Decke der Plasmaerzeugungskaminer 2 bzw. im Boden der Scheibenbear­ beitungskammer 1 ausgebildet.

Die Funktionsweise der Vorrichtung nach Fig. 3 ist wie folgt: Nachdem das in den Kammern 1 und 2 verbliebene Gas durch die Austrittsöffnung 7 gründlich abgezogen ist, wird ein reakti­ ves Gas durch die Eintrittsöffnung 6 in die Kammern 1 und 2 eingeleitet, wobei ein Teil des Gases durch die Austrittsöff­ nung 7 abgezogen wird, um den Gasdruck in den Kammern 1 und 2 auf einem vorbestimmten Pegel zu halten. Dann wird eine von dem Mikrowellengeber erzeugte Mikrowelle einer Frequenz von 2,45 GHz der Plasmaerzeugungskammer 2 durch den Wellenleiter 3 und den Umformer 4 zugeführt. Gleichzeitig wird die Spule 5 erregt zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der Plasmaerzeu­ gungskammer 2 und der Scheibenbearbeitungskammer 1; die Fluß­ dichte des Magnetfeldes in der Plasmaerzeugungskammer wird auf 875 G geregelt, so daß dort eine Elektronenzyklotronreso­ nanz im Zusammenwirken mit der Mikrowelle hervorgerufen wird; das von der Spule 5 erzeugte Magnetfeld divergiert von der Plasinaerzeugungskaminer 2 in Richtung zum Träger 8.

Somit werden die Elektronen in der Plasmaerzeugungskammer 2 auf spiralförmigen Bahnen in Elektronenzyklotronresonanz be­ schleunigt unter Absorption der Mikrowellenenergie in der Kammer 2; durch die Zusammenstöße zwischen diesen sehr schnell bewegten Elektronen wird ein dichtes Gasplasma in der Plasmaerzeugungskammer 2 erzeugt. Das so erzeugte Plasma wird entlang den divergierenden Linien des von der Magnetspule 5 erzeugten Magnetfeldes zu der Scheibe 9 transportiert. Da­ durch wird eine Bearbeitung der Scheibe, z. B. eine Dünnfilm­ bildung oder Ätzen, bewirkt. In bekannter Weise werden die Art oder der Druck des für die Bearbeitung eingesetzten Gases, die Leistung der Mikrowellenversorgung etc. entspre­ chend der an der Scheibe durchzuführenden Bearbeitung ge­ wählt.

Die vorstehend beschriebene konventionelle Scheibenbear­ beitungsvorrichtung mit ECR-Plasma weist folgende Nachteile auf.

Eine Mikrowelle im zirkularen TE₁₁-Modus wird bei der kon­ ventionellen Vorrichtung der Plasmaerzeugungskammer 2 direkt zugeführt. Die Kraftlinien E des elektrischen Feldes der der Plasmaerzeugungskammer 2 zugeführten Mikrowelle sind jedoch entsprechend Fig. 4 verteilt. Das heißt, die Dichte der Kraftlinien ist nahe der Achse der Kammer 2 hoch (d. h. die elektrische Feldstärke ist dort groß) und nahe dem Kammerum­ fang niedrig (d. h. die elektrische Feldstärke ist dort klein). Sie ist auch entlang den kreisförmigen Bahnen verän­ derlich, die in Umfangsrichtung auf einer zur Achse der Kam­ mer 2 senkrechten Ebene verlaufen. Somit wird die Plasmaer­ zeugungsdichte in der Plasmaerzeugungskammer 2 räumlich un­ gleichmäßig, so daß die Menge der an der Halbleiterscheibe 9 ankommenden reaktiven Ionen sich von einer Stelle zu einer anderen auf der Oberfläche der Scheibe 9 ändert, was für die Gleichförmigkeit der Scheibenbearbeitung nachteilig ist.

Aus dem Japanese Journal of Applied Physics, Band 16, Nr. 11, (1977), S. 1993-1998, ist es bekannt, eine Plasmaerzeugungs­ vorrichtung mit dem Ziel der Untersuchung und der Erhöhung des Energieeintrages von einem Mikrowellenfeld in ein Plasma unter Elektronenzyklotronresonanz-Bedingungen zu verändern. Hierfür wird die von einem Magnetron erzeugte Mikrowellen­ energie über einen Wellenleiter geführt, welcher in seinem Inneren eine λ/4 Phasenschieberplatte aufweist, um die im li­ nearen TE₁₁-Modus schwingende Mikrowelle in einen zirkular polarisierten Modus umzuformen, wodurch die Energieübertra­ gungseffizienz von der Mikrowelle in das Plasma erhöht wird. Mit dieser Maßnahme kann zwar der Energiegehalt und damit die Aktivität des Plasmas mit dem Ziel z. B. der Verkürzung der zum Ätzen einer Halbleiterscheibe erforderlichen Zeit ver­ ändert werden, jedoch führen derartige Maßnahmen nicht zwangsläufig oder gleichzeitig zu einer Erhöhung der Homoge­ nität des Plasmas in der Plasmakammer und einer entsprechend gleichförmigen Bearbeitung der Oberfläche einer Halbleiter­ scheibe.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit die Bereitstel­ lung einer Vorrichtung zum Bearbeiten von Halbleiterscheiben unter Anwendung eines durch Elektronenzyklotronresonanz er­ zeugten Plasmas, bei der die Gleichförmigkeit der Bearbeitung einer Scheibenoberfläche verbessert ist.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit den Merkma­ len des Patentanspruches.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die elektrische Feldstärke der der Plasmaerzeugungskammer zugeführten Mikro­ welle entlang den gesamten Kreisbahnen, die in Umfangsrich­ tung auf zur Achse der Plasmaerzeugungskammer senkrechten Ebenen verlaufen, über die
Zeit gemittelt; dadurch wird die Gleichmäßigkeit der Plas­ maerzeugung in der Plasmaerzeugungskammer verbessert, wo­ durch wiederum die Gleichförmigkeit der Bearbeitung der Scheibenoberfläche verbessert wird.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a eine schematische Schnittansicht der mit einem Plasma arbeitenden Scheibenbearbeitungsvor­ richtung nach der Erfindung;

Fig. 1b einen Schnitt durch eine Kreispolarisations­ einheit der Vorrichtung nach Fig. 1a entlang der Schnittlinie B-B von Fig. 1a;

Fig. 2a und 2b die horizontalen Querschnittsverteilungen der elektrischen Feldlinien der der Plasmaerzeu­ gungskammer der Vorrichtung nach den Fig. 1a und 1b zugeführten Mikrowelle zu zwei bestimm­ ten Zeitpunkten;

Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, die eine konventionelle Scheibenbearbeitungsvorrichtung zeigt; und

Fig. 4 die horizontale Querschnittsverteilung der Kraftlinien der elektrischen Feldstärke der der Plasmaerzeugungskammer zugeführten Mikro­ welle.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1a und 1b wird ein Ausführungsbeispiel erläutert.

Die Plasma-Scheibenbearbeitungsvorrichtung umfaßt eine zylindrische Scheibenbearbeitungskammer 1, auf deren Boden ein Träger 8 für eine Halbleiterscheibe 9 angeordnet ist. Eine zylindrische Plasmaerzeugungskammer 2 ist koaxial über der Scheibenbearbeitungskammer 1 angeordnet, und der zy­ lindrische Raum in der Plasmaerzeugungskammer 2 bildet eine nach oben projizierte Fortsetzung des zylindrischen Raums in der Scheibenbearbeitungskammer 1. Ein Mikrowellengeber, d. h. ein Magnetron, erzeugt eine Mikrowelle von 2,45 GHz, die durch einen Kastenwellenleiter 3 mit Rechteckquer­ schnitt und einen Rechteck-Rund-Mikrowellenumformer (R/C-Umformer) 4 zu einer Kreispolarisationseinheit 10 über­ tragen wird. Der R/C-Umformer 4 hat an seinem mit dem Wel­ lenleiter 3 gekoppelten Ende Rechteckquerschnitt und an seinem mit der Plasmaerzeugungskammer 2 gekoppelten Ende Kreisquerschnitt, so daß eine vom Kastenwellenleiter 3 zugeführte, im Rechteck-TE₁₀-Modus schwingende Mikrowelle in eine im zirkularen TE₁₁-Modus schwingende Mikrowelle umgeformt wird.

Die Kreispolarisationseinheit 10 besteht aus einem Rund­ wellenleiter in Form eines Hohlzylinders 10a aus einem elektrischen Leiter, z. B. Metall, und einer im Hohlzylinder 10a angeordneten viereckigen Trennplatte bzw. Phasenschieberplatte 10b. Die Platte 10b verläuft quer über den Durchmesser und entlang der Achse des vom Hohlzylinder 10a umschlos­ senen zylindrischen Innenraums unter einem Winkel von 45° zur Schwingungsrichtung TE₁₁ des elektrischen Feldes der Mikrowelle im TE₁₁-Modus, die vom Rechteck-Rund-Mikrowel­ lenumformer 4 zugeführt wird. Eine Quarzplatte 2a bildet ein Trennelement zwischen dem Umformer 10 und der Plasma­ erzeugungskammer 2.

Eine Magnetspule 5 umgibt die Plasmaerzeugungskammer 2 und die Scheibenbearbeitungskammer 1 und erzeugt in diesen Kammern ein Magnetfeld. Die Kraftliniendichte des Magnet­ feldes in der Plasmaerzeugungskammer 2 wird auf 875 G geregelt, so daß im Zusammenwirken mit der zugeführten Mikrowelle eine Elektronenzyklotronresonanz in wirksamer Weise erzeugt wird. In der Decke der Plasmaerzeugungskammer 2 ist eine Gaseintrittsöffnung 6 gebildet, und im Boden der Scheibenbearbeitungskammer 1 ist eine Gasaustrittsöffnung 7 gebildet.

Die Bearbeitung einer Scheibe 9, z. B. das Atzen eines Siliciumsubstrats, läuft wie folgt ab.

Nachdem in den Kammern 1 und 2 verbliebenes Restgas durch die Gasaustrittsöffnung 7 gründlich abgezogen ist, wird ein reaktives Gas, z. B. Cl₂, in die Kammern 1 und 2 durch die Eintrittsöffnung 6 eingeleitet, wobei ein Teil des Gases aus der Austrittsöffnung 7 abgezogen wird, um den Druck in den Kammern 1 und 2 auf einem vorbestimmten Pegel zu hal­ ten. Dann wird ein nicht gezeigter Mikrowellengeber akti­ viert und liefert eine Mikrowelle von 2,45 GHz in die Plas­ maerzeugungskammer 2 durch den Kastenwellenleiter 3, den R/C-Umformer 4 und die Kreispolarisationseinheit 10. Dadurch wird die im Kastenwellenleiter 3 im Rechteckmodus TE₁₀ übertragene Mikrowelle zuerst vom R/C-Umformer 4 in einen zirkularen Modus TE₁₁ umgeformt. Danach wird die im zirkularen Modus TE₁₁ schwingende Mikrowelle in eine kreispolarisierte Mikrowelle von der Kreispolarisationseinheit 10 umgeformt. Insbesondere dreht dabei die Einheit 10 die Richtung des elektrischen Feldes E der im zirkularen Modus TE₁₁ schwingenden Mikrowelle in Umfangsrichtung, während die Schwingungsebene des elektrischen Feldes E der Mikro­ welle konstantgehalten wird, so daß eine vollständige Dre­ hung der Richtung des Feldes E während einer Periodendauer der Mikrowelle erfolgt. Die Fig. 2a und 2b zeigen horizon­ tale Querschnittsverteilungen der Kraftlinien des der Plas­ maerzeugungskammer 2 von der Einheit 10 zu einem bestimmten Zeitpunkt t und zu einem Zeitpunkt t + 1/4 T in den Fig. 2a bzw. 2b zugeführten elektrischen Feldes E, wobei T die Periodendauer der Mikrowelle ist. Wie diese Figuren zeigen, wird die Richtung des elektrischen Feldes E im Uhrzeiger­ sinn in Umfangsrichtung während 1/4 Periodendauer T der Mikrowelle um 90° gedreht. Damit dreht sich die Richtung des elektrischen Feldes E während jeder Viertelperioden­ dauer 1/4 T der Mikrowelle jeweils um 90°, so daß innerhalb einer ganzen Periodendauer eine vollständige Drehung durch­ geführt wird. Infolgedessen wird die ungleichmäßige Ver­ teilung der elektrischen Feldstärke der im zirkularen TE₁₁-Modus schwingenden Mikrowelle entlang der Umfangsrichtung in der Plasmaerzeugungskammer über die Zeit im wesentlichen gemittelt.

Gleichzeitig mit der Zuführung der Mikrowelle zu der Plas­ maerzeugungskammer 2 wird die Magnetspule 5 aktiviert und erzeugt in der Plasmaerzeugungskammer 2 und der Scheiben­ bearbeitungskammer 1 ein Magnetfeld. Die Kraftliniendichte des Magnetfeldes in der Plasmaerzeugungskammer 2 wird auf 875 G geregelt, so daß die Elektronen in der Kammer 2 auf Spiralbahnen beschleunigt werden unter Absorption der Ener­ gie der Mikrowelle in Elektronenzyklotronresonanz. Somit wird infolge der Kollisionen der Hochgeschwindigkeitselek­ tronen ein Gasplasma von Cl₂ in der Kammer 2 ausgebildet. Da die der Plasmaerzeugungskammer 2 zugeführte Mikrowelle eine kreispolarisierte Welle ist, in der die Richtung des elektrischen Feldes in Umfangsrichtung der Plasmaerzeu­ gungskammer 2 rotiert, wird die Gleichmäßigkeit der Plas­ maerzeugungsdichte erhöht. Andererseits divergiert das von der Spule 5 in der Scheibenbearbeitungskammer 1 gebildete Magnetfeld von der Plasmaerzeugungskammer 2 zur Halblei­ terscheibe 9 auf dem Träger 8. Dadurch wird das in der Kammer 2 erzeugte Gasplasma entlang den Linien des von der Spule 5 erzeugten Magnetfeldes zu der Scheibe 9 auf dem Träger 8 transportiert unter Bearbeitung der Oberfläche der Scheibe 9. Dank der gleichmäßigen Erzeugung des Plasmas in der Plasmaerzeugungskammer 2 wird die Menge der an der Oberfläche der Scheibe 9 ankommenden reaktiven Ionen über die Gesamtfläche der Scheibe 9 vergleichmäßigt, was in einer besseren Gleichmäßigkeit der Bearbeitung resultiert.

Die Dimensionen und Parameter der Vorrichtung nach Fig. sind wie folgt:
Durchmesser der Plasmaerzeugungskammer: 200 mm
Durchmesser der Scheibe: 150 mm
Frequenz des Mikrowellengebers: 2,45 GHz
Ausgangsleistung des Mikrowellengebers: 1 kW
Kraftliniendichte des Magnetfeldes in der Plasmaerzeugungskammer: 875 G
Gasdruck: 5×10^-4 Torr

Die Dimensionen des Kreispolarisationsumformers 10 sind wie folgt:
Innendurchmesser: 100 mm
Länge in Axialrichtung: 280 mm

Die Platte 10b besteht aus einem Magnetwerkstoff wie Ferrit; ferner kann sie ein dünnes Metallblatt sein, das in einen kreisförmigen Wellenleiter eingesetzt ist, oder sie kann eine Metallmasse sein, die einen Teil des Innenraums eines kreisförmigen Wellenleiters ausfüllt und den Innen­ querschnitt des Wellenleiters verformt und seine axiale Symmetrie zerstört, so daß sich die Phasenübertra­ gungs-Charakteristik des Wellenleiters gegenüber derjenigen des Rundwellenleiters ändert.

Claims (1)

1. Vorrichtung zum Bearbeiten von Halbleiterscheiben unter An­ wendung eines durch Elektronenzyklotronresonanz erzeugten Plasmas, mit
   einer ersten Kammer (1), in der ein Träger (8) für eine Halbleiterscheibe (9) angeordnet ist;
   eine der ersten Kammer (1) benachbarten koaxial darüber angeordnete und damit in Verbindung stehende, nichtresonante zweite Kammer (2), deren zylindrischer Raum nach oben eine Fortsetzung des zylindrischen Raumes der ersten Kammer bildet;
   Gaszuführmitteln (6) zur Einleitung eines Gases in die zweite Kammer (2);
   einem Mikrowellengeber;
   einem funktionsmäßig mit dem Mikrowellengeber gekoppel­ ten Wellenleiter (3), der eine vom Mikrowellengeber erzeugte Mikrowelle zu der zweiten Kammer (2) leitet, wobei der Wel­ lenleiter einen Umformer (4) zur Zuführung einer Mikrowelle mit Kreisquerschnitt aufweist und
   einem Elektromagneten (5), der die erste und zweite Kam­ mer (1, 2) umgibt und in beiden Kammern ein Magnetfeld aus­ bildet, wobei der Elektromagnet in der zweiten Kammer (2) ein Magnetfeld einer Kraftliniendichte ausbildet, die ausreicht, um im Zusammenwirken mit der von einer Kreispolarisationsein­ heit (10) zugeführten Mikrowelle Elektronenzyklotronresonanz zu erzeugen, wodurch ein Plasma des Gases in der zweiten Kam­ mer (2) erzeugt wird, und wobei der Elektromagnet (5) in der ersten Kammer (1) ein Magnetfeld ausbildet, das in Richtung von der zweiten Kammer (2) zu dem Träger (8) divergiert, wo­ durch das in der zweiten Kammer (2) erzeugte Plasma zu der auf dem Träger (8) liegenden Halbleiterscheibe (9) transpor­ tiert wird,
   mit den weiteren Merkmalen;
   daß die Kreispolarisationseinheit (10) einen Hohlzylinder (10a) aufweist und zwischen dem Wellenleiter (3, 4) und der zweiten Kammer (2) angeordnet ist, wobei diese die Schwin­ gungsrichtung des elektrischen Feldes einer Mikrowelle aus dem Wellenleiter (3, 4) mit zirkularem TE₁₁-Modus derart be­ einflußt, daß die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes der Mikrowelle innerhalb einer Periode einmal in Umfangsrich­ tung vollständig gedreht wird, so daß eine umfangsmäßig und räumlich homogene Feldverteilung in der zweiten Kammer (2) erhalten wird, und daß die Drehung der im zirkularen TE₁₁-Mo­ dus befindlichen Mikrowelle durch ein metallisches Element im Hohlzylinder (10a) der Kreispolarisationseinheit (10) er­ folgt, welches die axiale Symmetrie des Hohlzylinders (10a) verändert, wobei das metallische Element ein im Hohlzylinder (10a) der Kreispolarisati­ onseinheit (10) eingesetztes dünnes Metallblatt oder eine im Hohlzylinder (10a) der Kreispolarisationseinheit (10) angeordnete Metallmasse, die einen Teil des Innenraumes des Hohlzylinders (10a) ausfüllt und den Innenquerschnitt desselben verformt ist.