DE3921844A1

DE3921844A1 - Vorrichtung zur behandlung von halbleiterwafern

Info

Publication number: DE3921844A1
Application number: DE3921844A
Authority: DE
Inventors: Tomoaki Ishida; Nobuo Fujiwara; Kyusaku Nishioka; Moriaki Akazawa; Teruo Shibano; Kenji Kawai
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-07-05
Filing date: 1989-07-03
Publication date: 1990-01-11
Also published as: JPH0216731A; US4915979A; DE3921844C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Halbleiterwafern, insbesondere unter Verwendung eines Plasmas, das durch Elektronenzyklotronresonanz erzeugt wird.

Bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen, wie z. B. Transistoren und integrierten Schaltungen, werden Halbleiter substrate oder Halbleiterwafer verschiedenen Behandlungen unterzogen, wie z. B. einer Dünnschichtbildung, Ätzen, Oxidieren und Dotieren. In jüngerer Zeit sind Vorrichtungen zur Behandlung von Wafern unter Verwendung eines Plasmas, das durch Elektronenzyklotronresonanz (ECR) erzeugt wird, entwickelt worden, welche eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen, mit chemischer Dampfabscheidung arbeitenden Einrichtungen bieten, einschließlich einer niedrigen Betriebs temperatur und hoher Qualität bei der Durchführung der Behandlung.

In der JP-OS 56-1 55 535 und der US-PS 3 15 730 sind grundlegende Aufbauten von Vorrichtungen zur Behandlung von Halbleiter wafern unter Verwendung von Plasma angegeben, das durch Elektronenzyklotronresonanz erzeugt wird. Diese mit ECR-Plasma arbeitenden Vorrichtungen zur Behandlung von Wafern weisen im allgemeinen eine Waferbehandlungskammer und eine Plasma erzeugungskammer auf, die an die Waferbehandlungskammer an grenzt.

Mikrowellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz, die von einer Mikrowellenquelle erzeugt werden, werden durch einen Wellen leiter oder Hohlleiter in die Plasmaerzeugungskammern einge leitet, und eine elektromagnetische Spule in Solenoidform, welche die Plasmaerzeugungskammer umgibt, erzeugt ein Magnet feld mit einer Flußdichte, die der Mikrowellenfrequenz ent spricht, so daß in der Plasmaerzeugungskammer eine Elektronen zyklotronresonanz hervorgerufen wird.

Die Elektronen in der Plasmaerzeugungskammer, welche somit die Mikrowellenenergie absorbieren, werden in einer schrauben förmigen oder helixförmigen Bahn beschleunigt; die Kollisionen dieser sich schnell bewegenden Elektronen erzeugen ein Plasma des Gases in der Plasmaerzeugungskammer, welches sich längs der Ausbreitungslinien des Magnetfeldes, das von der Spule in Solenoidform in der Waferbehandlungskammer erzeugt wird, sich zu dem Halbleiterwafer hin ausbreitet. Auf diese Weise wird eine Behandlung des Wafers, beispielsweise eine Dünn schichtbildung oder ein Ätzen seiner Oberfläche durchgeführt. Welche Art von Gas bei dem Prozeß verwendet wird, wie groß der Gasdruck ist, und welches Leistungsniveau die Mikrowellen quelle hat, wird entsprechend der Art der Behandlung bestimmt, die bei dem Wafer durchgeführt wird.

Die herkömmlichen, mit ECR-Plasma arbeitenden Vorrichtungen zur Behandlung von Wafern haben jedoch die nachstehend ange gebenen Nachteile. Die oben erwähnten Vorrichtungen verwenden eine Mikrowelle bei einer Frequenz von 2,45 GHz, wobei die Flußdichte des Magnetfeldes, die in der Plasmaerzeugungskammer gebildet wird, auf 875 G reguliert wird, um eine Elektronen zyklotronresonanz in Zusammenwirkung mit der Mikrowelle zu erzeugen.

Der Larmor-Radius von sich schraubenförmig bewegenden Elektronen, also der Krümmungsradius der Projektion der schraubenförmigen Bahnen der Elektronen in einer Ebene senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes, hängt von solchen Faktoren ab, wie z. B. der Elektronentemperatur und dem Gaszustand. Er ist jedoch proportional zur Geschwindigkeit der Elektronen und umgekehrt porportional zur Zyklotron frequenz:

Nimmt man somit an, daß die Mikrowellenfrequenz 2,45 GHz beträgt und daß die Elektronentemperatur 100 000 K ausmacht, so beträgt der Larmor-Radius von Elektronen, die sich auf schraubenförmigen Bahnen in der Plasmaerzeugungskammer in Elektronenzyklotronresonanz bewegen, etwa 0,1 mm. Dieser Larmor-Radius von Elektronen ist extrem klein im Vergleich mit dem Radius von Halbleiterwafern und den Abmessungen der Plasmaerzeugungskammer, die üblicherweise größer als 1 cm sind.

Somit besteht die Tendenz, daß die Dichte der Plasmaerzeugung in der Plasmaerzeugungskammer räumlich ungleichmäßig ist. Infolgedessen wird die Anzahl von reaktionsfähigen Ionen, welche die Oberfläche des Halbleiterwafers in der Wafer behandlungskammer erreichen, ebenfalls ungleichmäßig, was die Gleichmäßigkeit der Behandlung von Halbleiterwafern er heblich beeinträchtigt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Behandlung von Halbleiterwafern unter Verwendung eines durch Elektronenzyklotronresonanz erzeugten Plasmas anzugeben, bei der die Gleichmäßigkeit der Behandlung der Waferoberfläche verbessert wird und bei der es sich um eine Vorrichtung mit vergleichsweise einfachem und nicht kostspieligem Aufwand handelt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung in zufriedenstellender Weise gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Frequenz der Mikrowellen, die der Plasmaerzeugungskammer zugeführt werden, nicht höher als 2 GHz und nicht kleiner als 100 MHz. Somit wird ein hoher Wert des Larmor-Radius von Elektronen, die sich in der Plasmaerzeugungskammer in Elektronzyklotron resonanz bewegen, in einem praktisch durchführbaren und brauchbaren Bereich realisiert. Damit wird die Dichte der Plasmaerzeugung in der Plasmaerzeugungskammer gleichmäßig, und die Gleichmäßigkeit und Homogenität der Oberflächen behandlung beim Waferbehandlungsprozeß wird verbessert.

Die Gleichmäßigkeit der Behandlung kann weiter verbessert werden, indem man den Larmor-Radius weiter vergrößert, vorausgesetzt, daß er mit den Abmessungen der Vorrichtung und des Wafers kompatibel ist. Somit wird bevorzugt, daß die Frequenz der Mikrowelle, die an die Plasmaerzeugungskammer angelegt wird, nicht größer als 1,0 GHz ist. Vorzugsweise ist sie nicht größer als 0,5 GHz.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich auch weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht im Schnitt einer Vorrichtung zur Behandlung von Halbleiterwafern unter Verwendung eines Plasmas, das durch Elektronenzyklotronresonanz erzeugt wird, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und in

Fig. 2 die Zusammenhänge zwischen der Frequenz der Mikrowellen und dem Larmor-Radius von Elektronen, die sich auf schraubenförmigen Bahnen in der Plasmaerzeugungskammer bewegen, sowie zwischen der Frequenz der Mikrowellen und der Gleichmäßig keit der Wafern behandeln.

Eine erste Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 der Zeichnungen näher erläutert. Die in Fig. 1 dargestellte, mit ECR-Plasma arbeitende Waferbehandlungsvorrichtung weist eine zylindrische Waferbehandlungskammer 1 auf, auf deren Boden ein Trägertisch 8 für einen Halbleiterwafer 9 angeordnet ist. Eine zylindrische Plasmaerzeugungskammer 2 ist koaxial an der Oberseite der Waferbehandlungskammer 1 vorgesehen, wobei der zylindrische Raum in der Plasmaerzeugungskammer 2 eine nach oben vorstehende Fortsetzung des zylindrischen Raumes in der Waferbehandlungskammer 1 bildet. Eine Mikro wellenquelle 3, z. B. ein Magnetron erzeugt Mikrowellen mit einer Frequenz von nicht mehr als 2 GHz und nicht weniger als 100 MHz.

Die Mikrowellenquelle 3 kann von der Bauart mit variabler oder fester Frequenz sein; in beiden Fällen wird die Frequenz der Mikrowellen, die von der Mikrowellenquelle 3 erzeugt werden, so gewählt, daß die Frequenz einen geeigneten Wert hat, und zwar auf der Basis der Abmessungen der beiden Kammern 1 und 2 und des Wafers 9, oder auf der Basis der Geschwindigkeit der Elektronen in der Plasmaerzeugungskammer 2, so daß der Larmor-Radius der Elektronen, die sich in schraubenförmigen Bahnen in Elektronenzyklotronresonanz in der Plasmaerzeugungskammer 2 bewegen, optimal ist.

Die Mikrowellenquelle 3 ist an die Plasmaerzeugungskammer 2 über einen Wellenleiter oder Hohlleiter 4 sowie eine Quartz platte 2 a angeschlossen, die eine Trennwand zwischen dem Hohlleiter 4 und der Plasmaerzeugungskammer 2 bildet. Alter nativ dazu kann die Mikrowellenquelle 3 an die Plasmaer zeugungskammer 2 über ein Koaxialkabel angeschlossen sein, und zwar in solchen Fällen, wo die Frequenz der Mikrowellen, die von der Mikrowellenquelle 3 erzeugt werden, ausreichend niedrig ist, um seine Verwendung als Übertragungsleitung der Mikrowellen zu gewährleisten. Eine elektromagnetische Spule 5 in Solenoidform umgibt die Plasmaerzeugungskammer 2, um ein Magnetfeld in der Plasmaerzeugungskammer 2 und der Waferbehandlungskammer 1 zu erzeugen, wie es nachstehend im einzelnen erläutert ist. Die Flußdichte des Magnetfeldes in der Plasmaerzeugungskammer 2 wird auf einen Wert reguliert, bei dem die Elektronenzyklotronresonanz in Zusammenwirkung mit den Mikrowellen hervorgerufen wird.

Eine Gaseinlaßöffnung 6 ist in der Decke der Plasmaerzeugungs kammer 2 ausgebildet, und eine Gasauslaßöffnung 7 ist im Boden der Waferbehandlungskammer 1 ausgebildet.

Die Behandlung eines Wafers, beispielsweise das Ätzen von Polysilizium, wird folgendermaßen durchgeführt.

Nachdem das in der Waferbehandlungskammer 1 und der Plasma erzeugungskammer 2 befindliche Gas sorgfältig durch die Gasauslaßöffnung 7 abgesaugt worden ist, wird zunächst ein reaktionsfähiges Gas, wie z. B. Cl₂ durch die Einlaßöffnung 6 eingeleitet, wobei ein Teil des Gases durch die Auslaßöffnung 7 abgesaugt wird, um den Druck in der Waferbehandlungskammer 1 und der Plasmaerzeugungskammer 2 auf einem vorgegebenen Wert zu halten. Dann wird die Mikrowellenquelle 3 erregt, damit sie Mikrowellen mit einer Frequenz von 0,5 GHz über den Hohl leiter 4 der Plasmaerzeugungskammer 2 zuführt. Gleichzeitig wird die Spule 5 erregt, um in der Plasmaerzeugungskammer 2 sowie der Waferbehandlungskammer 1 ein Magnetfeld zu erzeugen.

Die Flußdichte des Magnetfeldes in der Plasmaerzeugungskammer 2 wird auf 179 G einreguliert, so daß eine Elektronenzyklotron resonanz erzeugt wird, und die Elektronen in der Plasmaer zeugungskammer 2 werden in schraubenförmigen Bahnen beschleunigt, wobei sie die Energie der Mikrowellen bei der Elektronenzyklo tronresonanz absorbieren.

Somit wird durch die Kollisionen der Elektronen hoher Ge schwindigkeit ein dichtes Plasma von Cl₂ in der Plasmaer zeugungskammer 2 gebildet. Das von der Spule 5 erzeugte Magnet feld breitet sich von der Plasmaerzeugungskammer 2 zu dem Halbleiterwafer-Trägertisch 8 hin aus.

Somit wird das in der Plasmaerzeugungskammer 2 erzeugte Gasplasma längs der Linien der von der Spule 5 erzeugten Magnetkraft in der Waferbehandlungskammer 1 weitertranspor tiert, und zwar zu dem Wafer 9 auf dem Trägertisch 8. Infolgedessen wird auf der Oberfläche des Wafers 9 ein Ätzvorgang des Polysiliziums durchgeführt.

Dank der Optimierung des Larmor-Radius der Elektronen in Elektronenzyklotronresonanz wird das Plasma mit einer zeugt. Somit wird die Menge der reaktionsfähigen Ionen, die an der Oberfläche des Wafers 9 ankommen, über die Gesamtoberfläche des Wafers 9 gleichmäßig und homogen gemacht, was zu einer höheren Gleichmäßigkeit der Behand lung führt.

Die Parameter der Vorrichtung gemäß Fig. 1 sind folgende:

Durchmesser der Plasmaerzeugungskammer 2: 300 mm
Durchmesser des Wafers 9: 150 mm
Frequenz der Mikrowellenquelle 3: 0,5 GHz
Ausgangsleistung der Mikrowellenquelle 3: 600 W
Flußdichte des Magnetfeldes in der Plasmaerzeugungskammer 2: 179 G
Gasdruck: 1 mTorr
Larmor-Radius der Elektronen: 0,6 mm
(unter der Annahme, daß die kinetische Energie der Elektronen 10 eV beträgt).

Wie oben erwähnt, wird die Frequenz der Mikrowellen, die von der Mikrowellenquelle 3 erzeugt werden, gemäß der Erfindung so gewählt, daß sie einen Wert hat, bei dem der Larmor-Radius der Elektronen, die sich in schraubenförmigen Bahnen in Elektronenzyklotronresonanz in der Plasmaerzeugungs kammer 2 bewegen, optimiert worden ist, um die Gleichmäßigkeit der Behandlung des Wafers 9 zu verbessern.

Fig. 2 zeigt, mit einer ausgezogenen Linie, den Zusammenhang zwischen der Mikrowellenfrequenz f und dem Larmor-Radius R von Elektronen für einen Fall, wo die kinetische Energie der Elektronen 10 eV beträgt. Die gestrichelte Linie in Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Mikrowellenfrequenz f und einer Gleichmäßigkeitszahl U der Waferbehandlung über dessen Oberfläche, wobei die Gleichmäßigkeitszahl U in Prozent wie folgt ausgedrückt wird:

U = (1-((Lmax-Lmin)/(Lmax + Lmin)) × 100%,

wobei
Lmax = maximale Ätztiefe oder Schichtdicke der Oberfläche des Wafers und
Lmin = minimale Ätztiefe oder Schichtdicke.

Ein Wert von 100% für U gibt die vollständige Gleichmäßigkeit der Behandlung wieder.

Wie sich aus Fig. 2 ergibt, nimmt die Gleichmäßigkeitszahl U, die 85% bei einer herkömmlichen Mikrowellenfrequenz von 2,45 GHz beträgt, auf über 86% zu, wenn die Mikrowellenfrequenz f auf einen Wert unter 2,0 GHz abnimmt. Wenn die Mikrowellenfrequenz f unter 1,0 GHz liegt, geht die Gleichmäßigkeitszahl U auf einen Wert von über 92% hinauf. Wenn die Mikrowellenfrequenz f noch unter 0,5 GHz liegt, überschreitet die Gleichmäßigkeitszahl U sogar einen Wert von 97%.

Bei der untersten Grenzfrequenz von 100 MHz steigt die Gleichmäßigkeitszahl U auf einen sehr hohen Wert von 99% an. Der Larmor-Radius R der Elektronen bei der Mikrowellenfrequenz von 100 MHz beträgt andererseits 2,4 mm, was praktisch den niedrigsten Wert der Mikrowellenfrequenz f begrenzt, der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung Anwendung finden kann.

Claims

1. Vorrichtung zur Behandlung von Halbleiterwafern unter Verwendung eines durch Elektronenzyklotronresonanz erzeugten Plasmas, umfassend

- eine erste Kammer (1), in der eine Trägereinrichtung zur Halterung eines Halbleiterwafers (9) untergebracht ist,
- eine zweite Kammer (2), die an die erste Kammer (1) angrenzt und mit dieser in Verbindung steht,
- eine Gaszuführungseinrichtung (6) zur Einleitung eines Gases in die zweite Kammer (2), und
- eine Mikrowellenquelle (3, 4), die an die zweite Kammer (2) angeschlossen ist, um Mikrowellen in die zweite Kammer (2) einzuleiten, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mikrowellenquelle (3, 4) Mikrowellen in einem Frequenzbereich zwischen nicht mehr als 2 GHz und nicht weniger als 100 MHz liefert und zuführt,
und daß eine elektromagnetische Einrichtung (5) die zweite Kammer (2) umgibt, um ein Magnetfeld in der ersten und der zweiten Kammer (1, 2) zu bilden, wobei die elektromagnetische Einrichtung (5) in der zweiten Kammer (2) ein Magnetfeld mit einer magnetischen Flußdichte bildet, das eine Elektronen zyklotronresonanz in der zweiten Kammer (2) erzeugt, so daß ein Plasma des Gases in der zweiten Kammer (2) erzeugt wird, wobei die elektromagnetische Einrichtung (5) in der ersten Kammer (1) ein Magnetfeld bildet, das sich in einer Richtung von der zweiten Kammer (2) zu der Trägereinrichtung (8) hin ausbreitet, so daß dadurch das in der zweiten Kammer (2) erzeugte Plasma zu dem von der Trägereinrichtung (8) getragenen Halbleiterwafer (9) hin transportiert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenquelle (3, 4) Mikrowellen mit einer Frequenz von nicht mehr als 1,0 GHz erzeugt und den beiden Kammern (1, 2) zuführt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenquelle (3, 4) Mikrowellen mit einer Frequenz von nicht mehr als 0,5 GHz erzeugt und den Kammern (1, 2) zuführt.

4. Verfahren zur Behandlung von Halbleiterwafern unter Verwendung eines durch Elektronenzyklotronresonanz erzeugten Plasmas, wobei in einer ersten Kammer eine Trägereinrichtung zur Halterung eines Halbleiterwafers untergebracht wird, in einer zweiten Kammer, die in die erste Kammer übergeht, Gas eingeleitet wird, in welchem mit einer Mikrowellenquelle und einem von außen angelegten Magnetfeld ein Plasma des Gases erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Plasma mit Mikrowellen erzeugt wird, die in einem Frequenzbereich zwischen 100 MHz und 2 HHz liegen,
und daß das so erzeugte Plasma mit dem von außen angelegten Magnetfeld in Richtung des zu behandelnden Halbleiterwafers beschleunigt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Frequenz von nicht mehr als 1,0 GHz gearbeitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Frequenz von nicht mehr als 0,5 GHz gearbeitet wird.