DE3913463A1

DE3913463A1 - Verfahren und vorrichtung zur plasmabehandlung

Info

Publication number: DE3913463A1
Application number: DE3913463A
Authority: DE
Inventors: Tomoaki Ishida; Kyusaku Nishioka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-07-15
Filing date: 1989-04-24
Publication date: 1990-01-18
Also published as: JPH0227718A; DE3913463C2; US4891095A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plasmabehandlung so sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Insbesondere dreht es sich um Verfahren und Vorrichtung zum Ätzen oder Bilden eines dünnen Films bei einem Herstellungs verfahren für Halbleiteranordnungen unter Verwendung eines Plasmas.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer herkömmlichen Anlage zur Plasmabehandlung.

In einem Behälter 1 ist eine Behandlungskammer 2 ausgebildet, in welcher eine Basis 3 zum Halten eines Werkstücks vorgesehen ist. Ein Paar von Elektroden 5 a, 5 b ist außerhalb des Behäl ters 1 angeordnet, so daß der Behälter dazwischen liegt. Mit den zwei Elektroden 5 a und 5 b ist eine Hochfrequenzquelle 6 verbunden. Gaseinlaßöffnungen 7 zur Einführung eines reaktiven Gases in den Behälter 1 sind an einem Ende des Behälters 1 vor gesehen, während eine Gasauslaßöffnung 8 zum Ausströmen des reaktiven Gases am anderen Ende sitzt.

Im folgenden wird nun beschrieben, wie die Vorrichtung nach Fig. 1 arbeitet. Werkstücke 4, z. B. Halbleiterwafer, werden zunächst in die Basis 3 zum Halten der Werkstücke eingesetzt. Dann wird ein reaktives Gas in den Behälter 1 durch die Gas einlaßöffnungen 7 zugeführt und durch die Gasauslaßöffnung 8 ausgestoßen. So wird die Behandlungskammer 2 mit reaktivem Gas mit vorbestimmtem Druck gefüllt. In diesem Zustand wird eine Hochfrequenzspannung zwischen die Elektroden 5 a und 5 b von der Hochfrequenzquelle 6 angelegt, um in der Behandlungs kammer 2 ein Plasma zu erzeugen.

Gleichzeitig werden Ionen, Elektronen, aktivierte neutrale Moleküle und neutrale Atome und dgl. in der Behandlungskammer 2 erzeugt. Diese Partikel unterliegen physikalisch-/chemischen Reaktionen an den Oberflächen der Werkstücke 4, die an der Werkstückhaltebasis gehalten sind, so daß dadurch ein Ätzvor gang oder die Bildung eines dünnen Filmes stattfindet.

Der Typ von reaktivem Gas, das verwendet wird, und der Pegel der Hochfrequenzspannung zwischen den Elektroden 5 a und 5 b werden eingestellt, je nachdem, ob man Ätzen oder einen dünnen Film bilden will.

Nachden die Werkstücke 4 graduell auf eine negative Spannung aufgeladen werden, und zwar durch Injektion von Elektronen, die in Plasma entstehen, werden auch einige der positiven Ionen im Plasma in Richtung auf die Werkstücke 4 beschleunigt und tref fen so auf die Oberflächen eines jeden Werkstücks 4. Dadurch entstehen beim Ätzen oder bei der Erzeugung des Dünnfilms auf den Ätzflächen des Werkstücks 4 Beschädigungen, z. B. Kristall defekte. Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung wirft somit einige Probleme bezüglich der Störung der elektrischen Charakteristi ka von Halbleiteranordnung auf die unter Verwendung der Werk stücke 4 hergestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vor richtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine Plasmabehandlung durchführbar ist, bei welcher eine geringere Störung durch Ionen bzw. deren Injektion erfolgt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Plasmabehand lung vorgeschlagen, das folgende Schritte umfaßt:

Man bildet ein Spiegelfeld, das einer Oberfläche eines zu be handelnden Werkstücks gegenüberliegt, und dessen Feldachse parallel zur Oberfläche des Werkstücks in einer Atmosphäre reaktiven Gases ausgebildet ist,
man erzeugt ein Plasma im reaktiven Gas durch Einführung von Mikrowellen in einem Bereich, in welchem das Spiegelfeld aus gebildet ist, wobei das Plasma in Spiegelfeld begrenzt ist, und
man behandelt das Werkstück durch Zuführung aktivierter neu traler Partikel zur Oberfläche der Werkstücke, die im Plasma entstehen.

Die Vorrichtung durch Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Behandlungsbehälter, Gas zuführungseinrichtungen zum Zuführen reaktiven Gases in den Behandlungsbehälter, Werkstückhalteeinrichtungen, zum Halten eines Werkstücks im Behälter, Felderzeugungseinrichtungen, zum Ausbilden eines Spiegelfeldes, das der Oberfläche des Werk stücks, welches behandelt werden soll, gegenüberliegt, wobei die Feldachse parallel zur Oberfläche des im Behälter bearbei teten Werkstücks liegt, und wobei Plasmaerzeugungseinrichtungen vorgesehen sind, um ein Plasma des reaktiven Gases zu erzeugen, in dem Mikrowellen in das Spiegelfeld, das durch die Feldbil dungseinrichtungen gebildet ist, eingeführt werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das anhand von Abbildungen näher erläu tert wird. Hierbei zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine herkömmliche Plasmabear beitungseinrichtung

Fig. 2 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Plasmabehand lung, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Feld stärkeverteilung des elektrischen Feldes, das in der gemeinsamen Achse von elektromagnetischen Spulen ent steht, die in der Plasmakammer angeordnet sind.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung genauer unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert.

In Fig. 2 ist eine Vorrichtung zum Plasmabehandlung gezeigt, die einen zylindrischen Behandlungsbehälter aufweist, dessen oberes und unteres Ende geschlossen ist. Der Behälter 9 weist ein Paar von hohlen Vorsprüngen 9 a und 9 b auf, die radial nach außen aus dem oberen Abschnitt der Seitenflächen hervorstehen und die aneinander diametral gegenüberliegenden Stellen ange bracht sind. Eine Plasmabildungskammer 10 ist an einem oberen Abschnitt des Behälters 9 vorgesehen und umfaßt die Innenräume der Vorsprünge 9 a und 9 b. Eine Werkstückkammer 11 ist in einem unteren Abschnitt des Behälters 9 ausgebildet. Eine Werkstückhaltebasis 12, auf welcher ein Werkstück 13 montier bar ist, ist am Boden des Behälters 9 vorgesehen. Eine Mikro wellenquelle 15 ist mit dem oberen Ende des Behälters 9 über einen Hohlwellenleiter 14 verbunden. Eine Gaseinlaßöffnung 16 und eine Gasauslaßöffnung 17 sind am oberen bzw. am unteren Ende des Behälters 9 vorgesehen. Die Gaszuführungseinrich tungen (nicht gezeigt) sind mit der Gaseinlaßöffnung 16 und ein Gasabführstück (nicht gezeigt) ist mit der Gasauslaßöff nung 17 verbunden.

Ein Paar von elektromagnetischen Spulen 18 a und 18 b sind an den Umfängen der Vorsprünge 9 a bzw. 9 b des Behälters 9 so an gebracht, daß die Spulenendflächen einander gegenüberliegen. Diese elektromagnetischen Spulen 18 a, 18 b weisen eine gemein same Achse CL auf, die parallel zur Hauptfläche 13 a des zu behandelnden Werkstücks 13 liegt, welches in der Werkstückhal tebasis 12 montiert ist. Eine nichtgezeigte Spulenstromquelle ist elektrisch mit den elektromagnetischen Spulen 18 a und 18 b verbunden.

Ein Paar von Elektroden 19 a bzw. 19 b ist außerhalb der Vor sprünge 19 a und 19 b des Behälters 9 so angeordnet, daß sie einander auf der Achse CL der elektromagnetischen Spulen 18 a und 18 b gegenüberliegen und rechtwinklig zur Achse CL stehen. Eine Hochfrequenzenergiequelle 20 ist elektrisch mit den Elektroden 19 a und 19 b verbunden.

Im folgenden wird nun ein Verfahren beschrieben, wie man einen organischen Film durch Ätzen entfernen kann, z. B. wie man eine Widerstandsschicht (Photoschicht) unter Verwendung der hier gezeigten Ausführungsform entfernen kann.

Zunächst wird ein Werkstück 13, z. B. ein Halbleiterwafer oder dgl. auf der Werkstückhaltebasis 12 befestigt. Danach wird Luft aus dem Behälter 9 durch eine nichtgezeigte Absaugvor richtung durch die Gasauslaßöffnung 17 entfernt, so daß der Innendruck bei 1×10^-5 Pa oder niedriger liegt. Das reaktive Gas, z. B. O₂, wird in den Behälter 9 von einer nichtgezeigten Gaszuführungseinrichtung durch die Gaseinlaßöffnung 16 zuge führt und gleichzeitig durch die Gasauslaßöffnung 17 wieder ausgeblasen. Auf diese Weise wird die Plasmabildungskammer 10 und die Werkstückkammer 11 mit reaktivem Gas bei einem Druck von etwa 5×10^-1 Pa gefüllt.

Unter diesen Bedingungen wird eine Spannung von 20 V den elek tromagnetischen Spulen 18 a und 18 b von der nichtgezeigten Spu lenstromquelle zugeführt und ein Strom von 110 A fließt durch diese Spulen in derselben Richtung, um so ein Spiegelfeld B auszubilden, dessen Feldachse mit derjenigen der Achse CL der Spulen 18 a und 18 b in der Plasmabildungskammer 10 zusammen fällt. Die Feldstärkeverteilung des Spiegelfeldes B auf der Achse CL der elektromagnetischen Spulen 18 a und 18 b ist für den obigen Zustand mit der Kurve 30 in Fig. 3 gezeigt. In Fig. 3 bedeuten e und f die Positionen der elektromagnetischen Spu len 18 a bzw. 18 b.

Daraufhin werden Mikrowellen in die Plasmabildungskammer 10 von der Mikrowellenquelle 15 über den Wellenleiter 14 einge führt. Die Stärke des Spiegelfeldes B und die Frequenz der Mikrowellen sind so bestimmt, daß sie die Bedingungen für eine Elektronen-Zyklotron-Resonanz erfüllen, die durch die Mikro welle entsteht, welche in der Plasmabildungskammer 10 vorliegt. Wenn z. B. die Bedingungen für die Elektronen-Zyklotron-Reso nanz bei einer Flußdichte von B ₁ für eine Mikrowelle mit der Frequenz f ₁ erfüllt sind, so ergibt sich eine Elektronen- Zyklotron-Resonanz an den Stellen, an welchen die Kurve 30 eine gerade Linie 31 schneidet, welche die Flußdichte B 1 in Fig. 3 repräsentiert, also an den Positionen a, b, c und d in der Plasmabildungskammer 10. Fig. 3 zeigt nur die zweidimen sionale Stärkeverteilung des Feldes auf der Achse CL der elektromagnetischen Spulen 18 a und 18 b. Tatsächlich werden jedoch Flächen bei den Positionen a, b, c und d entstehen, an welchen die Elektronen-Zyklotron-Resonanz sich ausbildet.

Die Elektronen in den Molekülen des reaktiven Gases, das in die Plasmabildungskammer 10 eingeführt wird, absorbieren somit Energie aus den Mikrowellen und bewirken, daß die Gasmoleküle in den Flächen ionisiert werden, in welchen die Elektronen- Zyklotron-Resonanz auftritt. Auf diese Weise wird Plasma im reaktiven Gas in der Plasmabildungskammer 10 erzeugt. Geladene Partikel im Plasma z. B. Ionen und Elektronen werden im Spiegelfeld B gefangen, das in der Plasmabildungskammer 10 ausgebildet ist. Nur neutrale aktivierte Partikel können aus dem Spiegelfeld B austreten. Ein Teil der neutralen Partikel, die aus der Plasmabildungskammer 10 in die Werkstückkammer 11 treten, erreicht die Hauptfläche 13 a des Werkstücks 13, das in der Werkstückhaltebasis 12 gehalten ist, wo dann eine physika lisch/chemische Reaktion stattfindet, so daß die Hauptfläche 13 a des Werkstücks geätzt wird.

Da eine Injektion von Ionen und Elektronen aus dem Plasma in das Werkstück 13 verhindert wird, kann, wie oben beschrieben, bei dieser Ausführungsform ein Ätzvorgang ohne Erzeugung von Fehlern stattfinden.

Die Ausbildung eines elektrischen Hochfrequenzfeldes in der Plasmabildungskammer 10 unter Verwendung der Elektroden 19 a, 19 b und der Hochfrequenzenergiequelle 20 verbessert den Ioni sierungsgrad des Plasmas. In anderen Worten, eine Hochfrequenz energiequelle mit beispielsweise einer Frequenz von 13,56 MHz und einer Leistung von 250 W wird zwischen den Elektroden 19 a und 19 b durch die Hochfrequenzenergiequelle 20 angelegt, um so ein Hochfrequenzfeld entlang der Achse CL des Spiegelfel des B zu erzeugen. Dieses Hochfrequenzfeld unterwirft die Elektronen im Plasma einer Kraft mit einer Richtung entlang der Feldachse CL in Fig. 2, so daß diese eine große Bewegungs komponente in dieser Richtung erhalten. Dies wiederum bewirkt, daß die Häufigkeit steigt, mit welcher die Elektronen die Flächen kreuzen, an denen eine Elektronen-Zyklotron-Resonanz in der Plasmabildungskammer 10 entsteht. Dadurch wiederum steigt die Effizienz (Wirkungsgrad), mit welcher die Elektro nen Energie aus den Mikrowellen absorbieren, wodurch ein stark ionisiertes Plasma erhalten werden kann. Die Anzahl von neutralen Partikeln, die auf der Oberfläche des Werkstücks 13 reagieren, steigt darum, so daß der Ätzvorgang beschleunigt werden kann.

Wenn anstelle des Ätzens einer Widerstandsschicht eine Ober flächenreinigungsbehandlung durchgeführt wird um einen Poly merfilm zu entfernen, der während eines Reaktivgasätzens ge bildet wurde, so kann anstelle von O₂ als reaktivem Gas NF₃ + He verwendet werden. Das Ätzen von verschiedenen Filmty pen kann somit mit derselben oben beschriebenen Methode durch geführt werden. Durch eine geeignete Einstellung von Art und Druck des reaktiven Gases, des den elektromagnetischen Spulen 18 a und 18 b zugeführten Energiepegels, der Mikrowellenfrequenz und dgl., kann ebenso wie beim Ätzen ein Dünnfilm erzeugt wer den, der nur geringe oder gar keine Schäden aufweist. In die sem Fall wird, wenn ein Hochfrequenzfeld in der Plasmabil dungskammer 10 unter Verwendung der Elektroden 19 a und 19 b und der Hochfrequenzenergiequelle 20 hergestellt wird, ein Dünn film mit hoher Geschwindigkeit erzeugt.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wurden elektro magnetische Spulen 18 a und 18 b und Elektroden 19 a und 19 b außerhalb des Behälters 9 verwendet. Alternativ können diese auch innerhalb des Behälters 9 angeordnet sein.

Das Spiegelfeld B kann unter Verwendung eines Paars von Permanentmagneten anstelle der elektromagnetischen Spulen 18 a und 18 b erzeugt werden.

Es kann weiterhin nicht nur ein einzelnes Werkstück 13 bear beitet werden, vielmehr ist es auch möglich, gleichzeitig mehrere derartige Werkstücke 13 der Behandlung zu unterwerfen.

Claims

1. Verfahren zur Plasmabehandlung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
man bildet ein Spiegelfeld, das einer Oberfläche eines zu behandelnden Werkstücks gegenüberliegt und dessen Feld achse parallel zur Oberfläche in einer Atmosphäre reakti ven Gases liegt,
man generiert ein Plasma im reaktiven Gas durch Einführen von Mikrowellen in einem Bereich, in welchem das Spiegel feld ausgebildet ist, wobei das Plasma im Spiegelfeld begrenzt ist, und
man behandelt das Werkstück durch Zuführung aktivierter neutraler Partikel, die im Plasma entstehen, durch Zufüh rung zur Oberfläche des Werkstücks.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück ein Halbleiterwafer ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück geätzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück mit einem Dünnfilm versehen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man weiterhin ein elektrisches Feld in einer Richtung entlang der Feldachse des Spiegelfeldes in einem Bereich erzeugt, in welchem das Plasma erzeugt wird.

6. Vorrichtung zur Plasmabehandlung, insbesondere zur Durch führung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden An sprüche, mit einem Behandlungsbehälter (10), Gaszuführungs einrichtungen (16) zum Zuführen eines reaktiven Gases in den Behandlungsbehälter (10), Werkstückhalteeinrichtungen (12) zum Halten eines Werkstücks im Behälter (10) , gekennzeichnet durch
Felderzeugungseinrichtungen (18 a, 18 b) zur Ausbildung eines Spiegelfeldes, welches der Oberfläche (13 a) des zu behan delnden Werkstücks (13) gegenüberliegt, wobei die Feldach se (B) des Spiegelfeldes parallel zur Oberfläche des im Behandlungsbehälter angeordneten Werkstücks (13) liegt, und durch
Plasmaerzeugungseinrichtungen (15) zum Erzeugen eines Plas mas aus reaktivem Gas durch Einführung von Mikrowellen in das Spiegelfeld, das durch die Spiegelfeldeinrichtungen (18 a, 18 b) erzeugt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Felderzeugungs einrichtungen außerhalb des Behandlungsbehälters angeord net sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Felderzeugungs einrichtungen innerhalb des Behandlungsbehälters (9) liegen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Felderzeugungs einrichtungen ein Paar von elektromagnetischen Spulen (18 a, 18 b) umfassen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Felderzeugungs einrichtungen ein Paar von Permanentmagneten umfassen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Felderzeugungs einrichtungen zur Erzeugung des Spiegelfeldes und die durch die Plasmaerzeugungseinrichtungen eingeführten Mikrowellen eine derartige Stärke bzw. Frequenz aufweisen, daß eine Elektronen-Zyklotron-Resonanz im Behandlungsbehälter (9) auftritt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin Einrich tungen (19 a, 19 b) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in einer Richtung vorgesehen sind, die entlang der Feldach se (CL) des Spiegelfeldes verläuft, welches durch die Felderzeugungseinrichtungen in einem Bereich verläuft, in welchem das Plasma erzeugt wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen Feldes ein Hochfrequenz feld erzeugen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen Feldes ein Paar von Elek troden (19 a, 19 b) umfassen, welches den Bereich ein schließt, in dem Plasma gebildet wird, und daß eine Ener giequelle (20) zur Erzeugung und Zuführung einer Hochfre quenzspannung zu den Elektroden (19 a, 19 b) vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar von Elek troden (19 a, 19 b) außerhalb des Behandlungsbehälters (9) vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenpaar (19 a, 19 b) innerhalb des Behandlungsbehälters (9) angeord net ist.