DE4110632A1

DE4110632A1 - Plasmabearbeitungseinrichtung

Info

Publication number: DE4110632A1
Application number: DE4110632A
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Ohiwa
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1990-04-02
Filing date: 1991-04-02
Publication date: 1991-10-10
Also published as: GB9106615D0; US5181986A; GB2244371A; GB2244371B; JP2581255B2; JPH03287774A; KR910019125A

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenplasmabearbeitungs einrichtung, die bei der Herstellung von Halbleitereinrich tungen zum Trockenätzen oder zum Ausbilden eines dünnen Filmes über CVD (Chemical Vapor Deposition; Chemisches Be dampfen) unter Verwendung eines Mikrowellenplasmas einge setzt wird.

Mikrowellen-Plasmabearbeitungseinrichtung zum Bearbeiten von Substratoberflächen durch die Anwendung eines ECR (Electron Cyclotron Resonance; Elektronen-Zyklotron-Re sonanz)-Plasmas hat viel Aufmerksamkeit auf dem Gebiet der Herstellung von Halbleitereinrichtungen erfahren. Eine der wichtigsten Eigenschaften der ECR-Plasmabearbeitung liegt darin, daß die Elektronen durch den Resonanzeffekt zwischen dem Magnetfeld und den Mikrowellen beschleunigt werden, so daß durch die kinetische Energie der beschleunigten Elek tronen ein Gas ionisiert wird. Dadurch wird ein Plasma ho her Dichte erzeugt. Jedes der durch die Mikrowellen ange regten Elektronen führt eine Drehbewegung um eine magne tische Feldlinie durch. In diesem Fall ist die Bedingung bzw. der Zustand, in dem die Zentrifugalkraft und die Lor entzkraft im Gleichgewicht sind, als der ECR-Zustand bzw. die ECR-Bedingung definiert.

Diese Bedingung wird ausgedrückt durch die Beziehung

ω/B = q/m

wobei die Zentrifugalkraft und die Lorentzkraft durch mr·ω² bzw. -qr·ωB ausgedrückt werden, und mit

ω: die Kreisfrequenz der Mikrowelle,
B: die Magnetflußdichte, und
q/m: die spezifische Ladung der Elektronen

bezeichnet werden.

Im allgemeinen beträgt die Mikrowellenfrequenz 2,45 GHz, was industriell akzeptiert ist. In diesem Fall beträgt die Resonanz-Magnetflußdichte 875 Gauß.

In Fig. 1 ist ein Schnitt zum Erläutern des Aufbaus einer herkömmlichen ECR-Plasmaeinrichtung dargestellt. Über einen nicht dargestellten Mikrowellengenerator erzeugte Mikrowel len gelangen über einen Wellen- bzw. Hohlleiter 1 in eine Plasmaerzeugungskammer 3. Ein Gas, wie N₂, O₂, Ar oder der gleichen, zum Erzeugen eines Plasmas gelangt über ein Gas zufuhrrohr 4 in die Plasmaerzeugungskammer 3. Zwischen dem Wellenleiter 1 und der Plasmaerzeugungskammer 3 ist ein, beispielsweise aus Quarz gebildetes, Vakuumfenster 2 angeordnet, um unter atmosphärischem Druck den Wellenleiter 1 und die Plasmaerzeugungskammer 3, die durch eine nicht dargestellte Evakuierungseinrichtung evakuiert ist, vonein ander zu trennen. Die Plasmaerzeugungskammer 3 wird mittels durch eine Kühleinrichtung geleitetes Wasser gekühlt. An dem unteren Ende der Plasmaerzeugungskammer 3 ist eine Me tallplatte 7 mit einer großen Öffnung 7A angeordnet. Durch diese Platte 7 und die Plasmaerzeugungskammer 3 wird ein halboffener Mikrowellenresonator gebildet. Ein Erregerma gnet bzw. ein Erregungssolenoid 6 umgibt die Außenfläche des Resonators derart, daß ein Magnetfeld, mit dem die ECR- Bedingung erfüllt werden kann, erzeugt wird. Dadurch wird in der Resonanzkammer ein Plasma erzeugt. Das derart er zeugte Plasma wird entlang den magnetischen Feldlinien in eine Verarbeitungskammer 9 gezwungen und gegen eine Sub stratauflage 10 gerichtet. Es wird beispielsweise Monosi langas (SiH₄) in die Verarbeitungskammer 9 über eine Gaszu fuhreinrichtung mit einem Ventil 12A und einem Zufuhrrohr 12 eingeführt, so daß das eingeführte Gas durch das Plasma aktiviert wird. Die aktivierten Spezimen reagieren dann mit einem Substrat 11 als zu bearbeitendem Gut, wobei ein dün ner Film über der Oberfläche des Substrats ausgebildet wird. Wenn über das Gaszufuhrrohr 4 anstelle von N₂ oder dergleichen ein Ätzgas zugeführt wird, dann kann die Ein richtung eingesetzt werden, um die Oberfläche eines Sub strats zu ätzen.

Bevor die Probleme angesprochen werden, die sich beim Auf bau und dem Betrieb einer ECR-Plasmaätzeinrichtung oder der CVD-Einrichtung des oben beschriebenen Typs ergeben, wird beschrieben, wie ein Plasma erzeugt wird. Im Falle der ECR- Plasmaätzeinrichtung oder der CVD-Einrichtung muß ein die ECR-Bedingung bzw. den ECR-Zustand erfüllender Magnetfeld bereich in der Plasmaerzeugungskammer errichtet werden, da mit ein wirksames Ätzen oder ein wirksames Wachsen eines dünnen Films durch ein Vergrößern der Plasmadichte ermög licht wird. Da jedoch die Länge des Erregungssolenoids in axialer Richtung begrenzt ist, ist es nicht möglich, daß dieser Magnetfeldbereich über den gesamten Raum der Plas maerzeugungskammer ausgedehnt wird, wie es der Fall wäre, wenn die Länge des Solenoids in aixaler Richtung unbegrenzt wäre. Der oben genannte Magnetfeldbereich ist nur innerhalb eines begrenzten Raumes existent und es werden die Form und die Lage des Bereichs in axialer Richtung der Plasmaerzeu gungskammer bestimmt durch die Außen- und Innendurchmesser, die Höhe, die Anzahl der Wicklungen des Solenoids und an dere Konstruktionsfaktoren und durch die Stromstärke des durch das Erregungssolenoid fließenden Stromes. Es ist wei terhin das Erzeugen des Plasmas abhängig von dem äußeren Produkt der Stärke des elektrischen Feldes und der Magnet flußdichte (E×B), so daß die Lage des Magnetfeldbereiches (der im folgenden als Resonanzmagnetfeldbereich bezeichnet wird) relativ zu der elektrischen Feldstärkenverteilung der Mikrowellen ein sehr wichtiger Faktor ist. Durch diesen werden die Geschwindigkeit, in der eine Substratfläche be arbeitet wird, wie auch die Qualität der Bearbeitung, bei spielsweise die Wachstumsrate eines dünnen Films auf der Oberfläche eines Substrats, und die Filmeigenschaften, wie eine Dickenverteilung des Filmwachstums und die Dichte des Films, bestimmt. Die elektrische Feldstärkenverteilung der Mikrowelle innerhalb der Plasmaerzeugungskammer ist abhän gig von der Form und Größe der Plasmaerzeugungskammer und dem Anpassungszustand zwischen der Mikrowelle und der Last. Als ein Beispiel für eine elektrische Feldstärkenverteilung der Mikrowelle ist in Fig. 2 eine schematische Ansicht ei ner elektrischen Feldstärkenverteilung einer Mikrowelle dargestellt für den Fall, daß die Plasmaerzeugungskammer als Resonator zum Erzeugen eines Resonanzmodes bzw. Reso nanzart TE₁₁₃ ausgebildet ist. In diesem Fall existieren in der Plasmaerzeugungskammer 3 drei Spitzen bzw. Maxima einer stehenden Mikrowelle. Die elektrische Feldstärke in axialer Richtung der Plasmaerzeugungskammer ist gleich der Ampli tude der stehenden Welle und nimmt in der radialen Richtung der Kammer ab. Es wird deshalb gedacht, daß wenn der Raum, in dem der Resonanzmagnetfeldbereich gebildet wird, durch eine Variation der Stromstärke des durch das Solenoid strö menden Stromes gesteigert wird, die Wirksamkeit des Erzeu gens des ECR-Plasmas, wie auch die Verteilung der Plasma dichte innerhalb der Plasmaerzeugungskammer gesteuert wer den kann.

In der Praxis war es jedoch schwierig einen dünnen Film mit einer hohen Wachstumsrate so auszubilden, daß er nicht nur hervorragende Eigenschaften aufweist, sondern auch eine gleichförmige Verteilung der Filmdicke.

Davon ausgehend, liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, eine Plasmabearbeitungseinrichtung zu schaffen, mit der Plasma mit einer hohen Wirksamkeit erzeugt werden kann, so daß ein dünner Film hoher Qualität mit einer gleichmäßigen Verteilung der Filmdicke mit einer hohen Wachstumsrate er zeugt werden kann.

Der Erfindung liegt als weitere Aufgabe zugrunde, eine Plasmabearbeitungseinrichtung zu schaffen, mit der im Falle des Ätzens eines Substrates nicht nur die Verteilung einer Ätzrate in einem dünnen Film, sondern auch die Qualität der Ätzung verbessert werden kann.

Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Plasmabear beitungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ge löst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsge mäßen Plasmabearbeitungseinrichtung sind in den Unteran sprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß kann durch das erste und zweite Erregungs solenoid der Oberfläche benachbart ein Spitzen(CUSP)-Ma gnetfeld erzeugt werden.

Das zweite Erregungssolenoid kann dem ersten Erregungssole noid gegenüberliegend so angeordnet werden, daß dazwischen liegend das Substrat angeordnet werden kann.

Das zweite Erregungssolenoid kann auch so angeordnet wer den, daß es das Substrat umgibt.

Über die Leistungsquelle kann verursacht werden, daß das Substrat in bezug auf das Plasma ein negatives Potential aufweist.

Das Plasma kann dadurch erzeugt werden, daß durch das erste Erregungssolenoid ein Strom fließt, der in einem Bereich liegt, in dem die Plasmadichte plötzlich mit einer Zunahme des Stromes abnimmt, und der geringer ist wie ein Mittel wert des Bereichs.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung wer den mit weiteren Einzelheiten anhand der Zeichnung erläu tert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Schnitt zum Erläutern des Auf baus einer herkömmlichen ECR-Plasmabearbeitungsein richtung,

Fig. 2 einen Schnitt, in dem zum Erläutern der stehenden Wellenform die elektrischen Feldstärke in einem Re sonator dargestellt ist, in dem die Resonanzart TE₁₁₃ der Mikrowelle ausgebildet werden kann,

Fig. 3 ein Diagramm zum Erläutern von Resonanzmagnetfeld bereichen in einer Plasmaerzeugungskammer,

Fig. 4 und Fig. 5 Diagramme für die Verteilung der Plasma dichte in radialer Richtung der Plasmaerzeugungs kammer, wenn die Resonanzmagnetfeldbereiche in den Bereichen A und B nach Fig. 3 ausgebildet sind,

Fig. 6A und Fig. 6B Diagramme für die Verteilung der Plas madichte bzw. der Dicke eines gewachsenen Films in radialer Richtung

Fig. 7 ein Diagramm zum Erläutern der Abhängigkeit der Plasmadichte von dem Strom des Erregungssolenoids,

Fig. 8 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungs beispiels für eine erfindungsgemäße Plasmabearbei tungseinrichtung,

Fig. 9 eine Ansicht zum Erläutern der Verteilung der ein Spitzenmagnetfeld ergebenden Magnetfeldlinien,

Fig. 10 ein Diagramm zum Erläutern des Einflusses des Spit zenmagnetfeldes auf die Verteilung der Plasmadichte und der Plasmatemperatur,

Fig. 11 ein Diagramm zur Erläuterung einer Verteilung einer Filmwachstumsrate in einer Filmoberfläche, wenn ein Spitzenmagnetfeld zum Ausbilden eines dünnen Filmes eingesetzt wird,

Fig. 12 ein Diagramm zum Erläutern der Abhängigkeit der Elektronentemperatur auf den Magnetfluß in der axialen Richtung eines einem Spitzenmagnetfeld aus gesetzten Substrats,

Fig. 13 ein Diagramm zum Erläutern der Beziehung zwischen einer Ätzrate eines gewachsenen Siliziumnitridfilms mit Wasserstofffluorid und der Elektronentemperatur eines Plasmas an der oberen Fläche eines Substrats, und

Fig. 14 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Plas mabearbeitungseinrichtung.

Von den Erfindern wurden umfangreiche Experimente und de taillierte Analysen hinsichtlich der Verteilung der Magnet flußdichte durchgeführt, die in einer Plasmaerzeugungskam mer erzeugt wird, wenn ein Erregungssolenoid von einem Strom durchflossen wird. Die berechneten Ergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt; die schraffierten Bereiche zeigen die Reso nanzmagnetfeldbereiche, in denen der Fehler hinsichtlich des Magnetflusses in bezug auf eine Magnetflußdichte von 875 Gauß, die mit einer Mikrowelle von 2,45 GHz in Resonanz steht, innerhalb von ±1% liegt. Dieser Resonanzmagnetfeld bereich verändert sich abhängig von der Stromstärke bzw. Magnitude des durch das Solenoid fließenden Stromes. Wenn Strom derart durch das Solenoid fließt, daß die ECR-Bedin gung in der Umgebung der Mitte des Solenoids in Längsrich tung erfüllt ist, wie dies durch den Bereich A dargestellt ist, dann ist der Resonanzmagnetfeldbereich dick in axialer Richtung des Solenoids in der Umgebung der Achse, aber die Dicke nimmt schnell in radialer Richtung ab, so daß das Plasma dazu tendiert sich in der Umgebung bzw. Nachbar schaft der Solenoidachse zu konzentrieren. Wenn anderer seits Strom so durch das Solenoid fließt, daß der Resonanz magnetfeldbereich in der Umgebung der Enden des Solenoids ausgebildet wird, wie das durch den Bereich B dargestellt ist, dann wird die Dicke des Resonanzmagnetfeldbereiches dünn in der Umgebung der Achse des Solenoids; dabei ist die Dicke jedoch im wesentlichen gleichförmig in radialer Rich tung. Der Bereich C stellt einen Resonanzmagnetfeldbereich dar, der sich ergibt, wenn Strom durch das Solenoid fließt, daß der Resonanzmagnetfeldbereich zwischen dem Ende und dem Raum in der Umgebung der Achsmitte des Solenoids ausgebildet wird. Bei dieser Spezifikation ist die Art der Plasmaerzeugung durch das Magnetfeld. welches durch den Be reich A definiert ist als Mode bzw. Art I definiert, und die Art der Plasmaerzeugung durch das durch den Bereich B definierte Magnetfeld wird als Mode II bezeichnet. Wenn ein Plasma durch den Mode I erzeugt wird, dann ist die Wirksam keit der Plasmaerzeugung hoch, so daß ein Plasma mit rela tiv hoher Dichte erhalten werden kann. Im Falle des Modes II ist die Wirksamkeit der Plasmaerzeugung geringer als dies bei dem Mode I der Fall ist; es wird jedoch die Ver teilung der Plasmadichte in radialer Richtung gleichförmig. In den Fig. 4 und 5 ist die Verteilung der Dichte des Plasmas, welches durch die Arten bzw. Moden I und II er zeugt worden ist, in radialer Richtung der Plasmaerzeu gungskammer für den Fall, daß der Druck des N₂ einen Wert von 1 mTorr hat, die Strömungsgeschwindigkeit 30 sccm (standard state cubic centimeter(s) per minute; Kubikzenti meter im Standardzustand pro Minute) beträgt und die Lei stung der Mikrowelle 400 Watt beträgt, dargestellt. In dem Mode I tritt eine Abweichung von etwa 30% hinsichtlich der Plasmadichte in radialer Richtung auf; für den Mode II liegt die Abweichung jedoch innerhalb etwa 10%. In den Fig. 4 und 5 ist die Plasmadichte als Relativwert aufge tragen, wobei die Dichte an der Achse als Einheitswert zu grundegelegt ist; der Absolutwert für den Mode I ist jedoch größer als derjenige für den Mode II.

Es wird zum Beispiel ein auf der Oberfläche des Substrats ausgebildeter bzw. angewachsener Film dichter, wenn die Dichte des Plasmas größer wird und wenn die Plasmadichte abnimmt, wird der Film größer bzw. rauher. Die Verteilung der Filmdichte ist weiterhin der Plasmadichteverteilung im wesentlichen ähnlich. In den Fig. 6A und 6B ist die Plasmadichte bzw. die Filmdicke in radialer Richtung darge stellt, wenn, zum Beispiel, ein Plasma aus Stickstoff über einstimmend mit dem Mode I erzeugt wird und ein Si₃N₄-Film über der Oberfläche des Substrates durch das Einführen von Silan (SiH₄) in die Bearbeitungskammer ausgebildet wird. Wie aus den Fig. 6A und 6B ersichtlich, sind die Vertei lung der Plasmadichte und die Verteilung der Filmwachstums rate, d. h. die Verteilung der Dicke des gewachsenen Films in einem im wesentlichen übereinstimmenden Verhältnis. Dar aus folgt, daß es dann, wenn es erwünscht ist, daß die Qua lität des Films und die Wachstumsrate des Films verbessert wird, vorteilhaft ist, daß der Film anhand des Modes I aus gebildet wird. Wenn es erwünscht ist, daß die Verteilung der Filmdicke verbessert wird, dann ist es vorteilhaft, daß der Film mit dem Mode II gebildet wird.

In Fig. 7 ist ein Beispiel für die Abhängigkeit der Dichte des in der Plasmaerzeugungskammer erzeugten Plasmas von dem Solenoidstrom angegeben. In diesem Fall ist die Plasma dichte im wesentlichen gleichförmig bis der Solenoidstrom auf 146A ansteigt. Der Bereich dieser Stromstärke des Stro mes entspricht dem Mode I der Plasmaerzeugung, in dem Plasma durch das Resonanzmagnetfeld erzeugt wird, das in der Umgebung der Mitte des Erregungssolenoids in axialer Richtung entsteht. Wenn der Solenoidstrom vergrößert wird, dann fällt die Plasmadichte plötzlich ab. Die Abnahme die ser Plasmadichte hält an, bis der Solenoidstrom auf 154A ansteigt und wenn der Solenoidstrom oberhalb 154A ist, dann wird die Plasmadichte im wesentlichen wieder konstant. Der Bereich der Stromstärke des Solenoidstroms, in dem die Plasmadichte im wesentlichen mit einem relativ niedrigen Niveau aufrechterhalten werden kann, entspricht dem Mode II der Plasmaerzeugung. In diesem Mode bzw. bei dieser Art der Plasmaerzeugung wird Plasma durch das in der Umgebung des Endes des Erregungssolenodis erzeugte Resonanzmagnetfeld erzeugt. Die Plasmadichte in dem Resonanzmagnetfeldbereich des Modes I unterscheidet sich von derjenigen des Modes II durch eine Stelle. Es existiert ein Übergangsbereich in dem sich die Plasmadichte abhängig von der Magnitude bzw. Stromstärke des Solenoidstromes verändert. Die Stromstärken des Solenoidstromes an der Grenze zwischen dem Übergangsbe reich und dem Mode I und zwischen dem Übergangsbereich und dem Mode II verändern sich abhängig von der Form und der Größe der Plasmaerzeugungskammer und des Erregungssoleno ids; dabei existieren die drei in Fig. 7 dargestellten Be reiche unabhängig von der jeweiligen Abmessung der Einrich tung.

In dem, dem Mode I benachbarten Abschnitt in dem Übergangs bereich ist die Plasmadichte im wesentlichen so hoch wie in dem Mode I, so daß es möglich ist einen Wirkungsgrad der Plasmaerzeugung und eine Verteilung der Filmdichte zu er reichen, die gleich oder besser ist, als der Wirkungsgrad bzw. die Dichteverteilung in dem Mode I Bereich. Die Ver teilung der Plasmadichte auf der Oberfläche in der Nähe des Substrates ist selbst in dem Mode II in der Größenordnung von ±10% und somit wesentlich geringer als in dem gemäß dem Mode I ausgebildeten Plasma. Aus diesem Grund wird es, wenn ein Film unter den oben genannten Bedingungen unter Einsatz eines einzigen Solenoids ausgebildet wird, schwie rig eine im wesentlichen zufriedenstellende Filmdichtever teilung zu erhalten.

In Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungs gemäße Plasmabearbeitungseinrichtung dargestellt. Es werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, die bereits in bezug auf Fig. 1 verwendet worden sind. Die Plasmaerzeugungskam mer 3 und die Bearbeitungskammer 9 sind über eine Auslaß öffnung 9A der Bearbeitungskammer 9 über das nicht darge stellte Evakuierungssystem evakuiert, so daß sich ein hohes Vakuum ergibt. Über das Gaszufuhrrohr 4 wird als nächstes ein vorbestimmtes Gas, wie beispielsweise Ar in die Plas maerzeugungskammer 3 derart eingeführt, daß der Druck darin auf einem vorbestimmten Niveau (zum Beispiel 1 bis 10 mTorr) aufrechterhalten werden kann. Als nächstes gelangen Mikrowellen über den Wellenleiter 1 und das Vakuumfenster 2 von einem Mikrowellengenerator 13 mit einem Mikrowellenos zillator, einen Isolator und einer Anpassungseinrichtung usw. in die Plasmaerzeugungskammer 3. Das die Plasmaerzeu gungskammer 3 umgebende Erregungssolenoid 6 wird mit einem Strom beaufschlagt, so daß ein Magnetfeld, welches die ECR- Bedingung erfüllt, in der Plasmaerzeugungskammer 3, die einen Resonator bildet, gebildet wird. Dadurch entsteht das Plasma.

Ein zweites Erregungssolenoid (ein Untersolenoid) 14 ist ko axial zu dem Erregungssolenoid 6 für das Resonanzmagnetfeld an der hinteren Seite des Substrates 11 angeordnet. Mit dem Substrat 11 über eine Leitung 15A, die gegenüber einer Wand 9A der Bearbeitungskammer 9 isoliert ist, ist das Substrat 11 elektrisch an eine RF-Leistungsquelle bzw. eine Ra diofrequenz-Leistungsquelle 15 angeschlossen, deren Fre quenz im Bereich von einigen 10 kHz mit 10 Mhz reicht (bei diesem Ausführungsbeispiel liegt die Frequenz der RF-Lei stungsquelle 15 bei 13,56 Mhz). Bei dem Wachsen bzw. der Ausbildung eines dünnen Films, wie beispielsweise eines dünnen Films aus Siliziumnitrid wird N₂ über das Gaszuführ rohr 4 zugeführt, und in effizienter Weise durch das über die in die Plasmaerzeugungskammer 3 eingeleiteten Mikrowel len erzeugte elektrische Feld und das in der Plasmaerzeu gungskammer 3 über das Erregungssolenoid 6 erzeugte Reso nanzmagnetfeld in wirksamer Weise ionisiert, um in ein Plasma übergeführt zu werden. Das derart erzeugte Plasma ist entlang den durch das Erregungssolenoid 6 erzeugten Ma gnetkraftlinien gegen die Bearbeitungskammer 9 gerichtet. Es wird weiterhin Silangas in die Bearbeitungskammer 9 ein geführt und der Strom, dessen Polarität dazu beiträgt, daß ein Magnetfeld entsteht dessen Polarität entgegengesetzt zu der der durch das Erregungssolenoid 6 erzeugten Magnet kraftlinien ist, wird dem Untersolenoid 14 zugeführt, wo durch das Spitzen(CUSP)- bzw. Umkehrmagnetfeld in der Umge bung der Oberfläche des Substrates 11 auf der Seite der Plasmaerzeugungskammer 3 ausgebildet wird. Da mit dem Sub strat 11 eine RF-Leistungsquelle 15 verbunden ist, hat das Substrat ein negatives, schwimmendes Potential gegenüber dem Plasma. Durch das Plasma wird Monosilangas aktiviert, das, während es sich zu dem Substrat bewegt dazu neigt, daß es plötzlich die Bewegungsrichtung entlang den Magnetkraft linien ändert, die das Spitzenmagnetfeld bilden. Es können jedoch Ionen aufgrund ihrer großen Trägheit ihre Bewegungs richtung nicht so ändern, daß sie entlang der Magnetkraft linien verläuft, so daß sie sich in Richtung zu dem Sub strat bewegen, während sie sich gleichzeitig in radialer Richtung ausbreiten. Die Ionen werden dabei durch das nega tive Potential des Substrates beschleunigt, so daß sie die ses erreichen. Es kann somit ein dichter Siliziumnitridfilm über der Oberfläche des Substrates ausgebildet werden.

Detaillierter betrachtet, ist das Spitzenmagnetfeld ein Ma gnetfeldmuster, das in den Raum zwischen den koaxial zuein ander angeordneten zylindrischen Solenoiden gebildet wird. Durch die Solenoide fließt weiterhin Strom derart, daß mit den Solenoiden Magnetkraftlinien entgegengesetzter Polari tät gebildet werden. Wie in Fig. 9 dargestellt, ist die Biegung bzw. der gekrümmte Verlauf des Spitzenmagnetfeldes bzw. des CUSP-Magnetfeldes um so schärfer, je näher eine Magnetkraftlinie an der Achse liegt. Die Elektronen des in der Plasmaerzeugungskammer erzeugten Plasmas werden unter Krafteinwirkung entlang den durch das Erregungssolenoid ge bildeten Magnetkraftlinien gegen die Bearbeitungskammer ge richtet. Wenn sie jedoch das Spitzenmagnetfeld erreicht ha ben, dann wird ihre Richtung plötzlich zu der Umfangswand der Bearbeitungskammer entlang den durch das Spitzenmagnet feld gebildeten Magnetkraftlinien gerichtet. In diesem Fall hat das Plasma makroskopisch die Tendenz neutral zu blei ben, so daß nicht nur die Elektronen sondern auch die Ionen zu der Bearbeitungskammer hin gerichtet werden, wobei die Ionen, wie die Elektronen zu einer plötzlichen Änderung ihrer Bewegungsrichtungen in dem Spitzenmagnetfeld tendieren. Je näher sich die Ionen der Achse nähern, desto größer wird der Grad des Richtungswechsels. Da jedoch die Trägheit ei nes Ions bei weitem größer ist als diejenige eines Elek trons, kann ein Ion aufgrund dessen Trägheit seine Richtung nicht so plötzlich ändern, wie ein Elektron, so daß die Io nen das Substrat erreichen. Daraus folgt, daß wenn der durch das Erregungssolenoid 6 fließende Strom auf einen Wert innerhalb des Übergangsbereiches, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist, und nahe des Modes I, zum Beispiel auf 150 A eingestellt wird, um einen Resonanzmagnetfeldbereich zu schaffen, der in der Umgebung der Achse und in dessen Richtung dick bzw. stark ausgebildet ist, daß das in der Umgebung der Achse eine höhere Dichte aufweisende Plasma in weitem Umfang in radialer Richtung in dem Spitzenmagnetfeld verteilt wird. Dabei wird der Unterschied betreffend die Ionendichte zwischen der Umgebung der Mitte der Oberfläche und der Umgebung von periphären Abschnitten geringer. Vor zugsweise liegt die Magnitude des durch das erste Erre gungssolenoid fließenden Stromes innerhalb des Übergangsbe reiches und bei einem Wert, der kleiner ist als dessen mittlere Magnitude. Der Unterschied zwischen der Ionen dichte zwischen der Mitte und außenliegenden Bereichen der Oberfläche des Substrates nimmt ab, so daß im Vergleich zu dem Fall, indem kein Spitzenmagnetfeld ausgebildet wird, die Verteilung der Dicke des dünnen Films in bemerkenswer tem Ausmaß verbessert wird.

In Fig. 10 ist eine Stickstoffplasmadichtenverteilung und die Elektronentemperaturverteilung in raidaler Richtung des Substrates unter dem Einfluß des Spitzenmagnetfeldes darge stellt. Die Bedingungen bzw. der Zustand zum Erzeugen des Plasmas ist derart, daß der Druck des N₂ 1,1 mTorr beträgt und die Leistung der Mikrowelle 400 W. Die Verteilungen der Plasmadichte und der Elektronentemperatur sind im wesentli chen gleichförmig. Die Ungleichförmigkeit der Plasmadichte auf der Oberfläche kann in sehr einfacher Weise im Bereich einer Größenordnung von ±3 bis 5% gehalten werden, indem die Betriebsbedingungen (die Magnitude des durch jedes Er regungssolenoid fließenden Stromes, die Lage des zweiten Erregungssolenoids usw.) zum Aufbau des Spitzenmagnetfeldes optimiert werden. Dies führt dazu, daß die Ungleichförmig keit innerhalb der Oberfläche im Falle einer Filmwachstums rate oder einer Ätzrate in der Größenordnung von 5% der normalerweise erforderlichen Toleranz gehalten werden kann. In Fig. 11 ist beispielsweise die Verteilung der Wachstums rate in der Oberfläche des Siliziumnitridfilms dargestellt, der über der Oberfläche eines Siliziumsubstrates von 6 Inch Durchmesser und mit den oben genannten Bedingungen ausge bildet wurde. Fig. 11 zeigt, daß die Ungleichförmigkeit der Verteilung in der Oberfläche des Wachstumsrate in dem Be reich von ±3 bis 4% gehalten ist, und daß die Ausbildung des Spitzenmagnetfeldes äußerst wirksam ist, um die Vertei lung der Oberflächenbearbeitungsrate aufrechtzuerhalten.

Wenn jedoch das Spitzenmagnetfeld auf der Seite der Vorder fläche eines Substrates ausgebildet wird, dann breitet sich das Plasma aus, so daß die Verteilung innerhalb der Ober fläche verbessert wird; es variiert jedoch die Temperatur der Elektronen des Plasmas. Verglichen mit dem Fall, in dem kein Spitzenmagnetfeld ausgebildet wird, fällt die Elektro nentemperatur. In Fig. 12 ist die Abhängigkeit der Elektro nentemperatur von dem Spitzenmagnetfeld dargestellt. Mit anderen Worten ist in Fig. 12 der Zusammenhang zwischen der Magnetflußdichtenkomponente in Achsrichtung des Solenoids über die Oberfläche des Substrats und die Elektronentempe ratur dargestellt, wenn die Magnitude des durch das Unter solenoid fließenden Stromes unter der Bedingung variiert wird, daß das Plasma in einem Zustand mit einem Druck von N₂ von 1 mTorr und die Mikrowellenleistung 400 W beträgt. Die in Fig. 12 dargestellte Magnetflußdichte zeigt den Wert in der Mittenlage des Substrats. Die negative Magnitude der Magnetflußdichte zeigt, daß das durch das Untersolenoid über der Oberfläche des Substrates erzeugte Magnetfeld dem durch das Erregungssolenoid zum Erzeugen eines Resonanzma gnetfeldbereiches erzeugten überlegen ist. Der positive Wert zeigt, daß das durch das Untersolenoid erzeugte Ma gnetfeld schwächer ist als das durch das Erregungssolenoid zum Erzeugen des Resonanzmagnetfelds erzeugte. Da die Elek tronentemperatur proportional zu dem schwimmenden elektri schen Potential auf der Oberfläche des Substrates ist, fällt, wenn die Temperatur abnimmt, auch das schwimmende Potential. Dies führt dazu, daß die Qualität des anwachsen den Filmes mit dem Wachsum variiert wird. Als ein Beispiel für dieses Phänomen wird in Fig. 13 die Abhängigkeit der Ätzrate eines Films aus Siliziumnitrid mit Fluorwasser stoffsäure auf die Elektronentemperatur dargestellt. Wie aus Fig. 13 ersichtlich, nimmt die Dichte des Films ab und die Ätzrate zu, wenn die Elektronentemperatur auf einen Wert von weniger als etwa 4,7 eV abfällt. Das Potential über die Oberfläche des Substrates, das der Elektronentem peratur 4,7 eV entspricht, entspricht Werten von -20 bis -25 V in Relation zu dem Potential. Mit anderen Worten kann im Falle des Wachstums eines Siliziumnitrid films eine gewünschte Dichte nicht erreicht werden, falls die Ionen nicht auf eine Größenordnung von -20 bis -25 V beschleunigt werden. In dem Zustand, in dem das Potential über die Oberfläche des Substrates unter diesen Wert fällt aufgrund der Elektronentemperatur, die wiederum aufgrund des Spitzenmagnetfeldes abnimmt, kann eine erwünschte Dichte des dünnen Films nicht erreicht werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es jedoch möglich das Potential über die Oberfläche des Substrates oberhalb von -20 bis -25 V zu halten, indem das schwimmende Potential durch Anwendung eines RF-Bias bzw. einer Radiofrequenz-Vor spannung zu dem Substrat so gesteuert wird, daß es möglich wird, die Qualität des dünnen Films zu steuern. Aufgrund der Anwendung eines RF-Bias und des Aufbaus eines Spitzen magnetfeldes kann ein Film ausgebildet werden, dessen Qua lität derjenigen eines Filmes, der durch ein in dem Mode I erzeugtes Plasma gebildet wird und dessen Dickeverteilung gleichförmiger ist, als diejenige eines unter einem in dem Mode II gebildeten Plasmas erzeugten Films mit einer Wachs tumsrate ausgebildet werden, die höher ist als diejenige eines dünnen Films, der durch ein Plasmas des Modes I gebil det wird.

In Fig. 14 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Plasmabearbeitungseinrichtung dargestellt. Das zweite Erregungssolenoid 14 ist so angeordnet, daß es das Substrat II umgibt. Durch das Untersolenoid 14 wird ein Magnetfeld geschaffen, dessen Polarität derjenigen des durch das Erregungssolenoid 6 geschaffenen Magnetfeldes entgegengesetzt ist. Durch dieses Magnetfeld wird in der Umgebung an der Oberfläche des Substrates 11 ein Spitzenma gnetfeld ausgebildet. Die in diesem Ausführungsbeispiel er reichbaren Wirkungen sind im wesentlichen ähnlich denjeni gen, die gemäß dem im Zusammenhang mit Fig. 8 ausführlich beschriebenen Ausführungsbeispiel erhalten werden können.

Bislang ist eine Oberflächenbearbeitung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung lediglich betreffend den Fall eines Wachstums bzw. Ausbildung eines dünnen Films be schrieben worden; es ist jedoch ersichtlich, daß die Ober flächenbearbeitung erfindungsgemäß auch hinsichtlich der Ätzratenverteilung in der Oberfläche verbessert werden kann, und daß weiterhin im Falle eines Ätzens Beschädigun gen der zu ätzenden Oberfläche vermieden werden können.

Wie beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, daß eine hohe Oberflächenbearbeitungsgeschwindig keit aufrechterhalten wird, während gleichzeitig nicht nur die Bearbeitungsgeschwindigkeitsverteilung über die Ober fläche des Substrates, sondern auch die Qualität der bear beiteten Oberfläche verbessert wird.

Die Erfindung ist in bezug auf bevorzugte Ausführungsbei spiele beschrieben worden. Es ist für einen Fachmann jedoch ohne weiteres erkennbar, daß Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne daß der Schutzbereich der Erfindung verlassen wird.

Claims

1. Plasmabearbeitungseinrichtung umfassend:
einen Mikrowellengenerator (13),
eine Übertragungseinrichtung (1) für Mikrowellen, um von dem Mikrowellengenerator (13) erzeugte Mikrowellen zu übertragen,
eine Plasmaerzeugungskammer (3) die mit der Mikrowel lenübertragungseinrichtung (1) verbunden ist, eine Gaszu fuhreinrichtung (4) aufweist und eine in einem Endbereich ausgebildete, der Mikrowellenübertragungseinrichtung (1) ge genüberliegende Öffnung (7A),
ein erstes Erregungssolenoid (16), das koaxial um die Plasmaerzeugungskammer (3) ausgebildet ist, um ein Magnet feld zum Erzeugen eines Plasmas eines in die Plasmaerzeu gungskammer (3) eingeführten Gases durch den Resonanzeffekt mit der Mikrowelle auszubilden,
eine Bearbeitungskammer (9) die über die Öffnung (7A) mit der Plasmaerzeugungskammer (3) verbunden ist, zum Bear beiten einer Oberfläche eines darin angeordneten Substrates (11) mit dem Plasma,
ein zweites Erregungssolenoid (14) das dem ersten Er regungssolenoid (16) gegenüberliegend angeordnet ist, zum Erzeugen eines Magnetfeldes dessen Polarität derjenigen des durch das erste Erregungssolenoid (16) in der Nähe der Oberfläche des Substrates gebildeten Magnetfeldes entgegen gesetzt ist, und
eine Leistungsquelle um eine Radiofrequenz-Leistung auf das Substrat (11) aufzubringen.

2. Plasmabearbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß durch das erste und das zweite Erregungssolenoid (6, 14) in der Umgebung der Oberfläche des Substrates (11) ein Spitzenmagnetfeld ausgebildet wird.

3. Plasmabearbeitungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Erregungssolenoid (14) dem ersten Erregungssolenoid (16) gegenüberliegend so angeordnet ist, daß das Substrat (11) dazwischen angeordnet werden kann.

4. Plasmabearbeitungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Erregungssolenoid (14) so angeordnet ist, daß es ein Sub strat (11) umgeben kann.

5. Plasmabearbeitungseinrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Leistungsquelle ein gegenüber dem Plasma negati ves Potential des Substrates (11) erreicht wird.

6. Plasmabearbeitungseinrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma durch einen durch das erste Erregungssolenoid (16) fließenden Strom erreicht wird, der in einem Bereich liegt, in dem die Plasmadichte mit einer Zunahme des Stro mes plötzlich abnimmt, und der geringer ist als der Mittel wert dieses Bereichs.