DE4114752C2

DE4114752C2 - Plasmabearbeitungsverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE4114752C2
Application number: DE4114752A
Authority: DE
Inventors: Tomoaki Ishida
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-10-26
Filing date: 1991-05-06
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2011-05-07
Also published as: JP2501948B2; US5213658A; JPH04162623A; DE4114752A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Plasmabearbeitungsverfahren und eine Plasmabearbeitungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere zur Anwen dung bei Herstellungsverfahren für ein Halbleiterbauelement, speziell bei einem Ätzverfahren.

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen arbeitet man heute in großem Umfang mit Plasmaätzen und reaktivem Ionen ätzen, wobei Plasma eines reaktiven Gases eingesetzt wird, um Ätzvorgänge zur Bildung einer Mikroleiterstruktur im Submi krometerbereich durchzuführen.

Fig. 4 ist eine seitliche Schnittansicht einer konventio nellen reaktiven Ionenätzvorrichtung. Dabei sind einander gegenüberstehende HF-Elektroden 3 und 4 in einem Bearbei tungsbehälter 7 angeordnet. Zwischen den Elektroden 3 und 4 ist ein Kopplungskondensator 8 angeordnet und an eine HF- Stromversorgung 9 zur Zuführung von hochfrequenter Energie angeschlossen. Ein Einlaß 5 und ein Auslaß 6 zum Einleiten bzw. Ableiten von reaktivem Gas sind in dem Bearbeitungs behälter 7 vorgesehen. Ein zu bearbeitendes Substrat 1 wird auf die HF-Elektrode 3 gelegt, und ein zylindrischer Isola tor, der als Fokussierring 2 bezeichnet ist, ist das Substrat 1 umgebend angeordnet.

Der Fokussierring 2 hat die Funktion, die Gleichmäßigkeit des Ablaufs der Ätzreaktion an der Oberfläche des Substrats 1 zu verbessern. Allgemein ist der Ablauf der Ätzreaktion in der Mitte des Substrats 1 langsamer als an seinem Außenbereich. Das ist darauf zurückzuführen, daß infolge der Ätzreaktion in der Mitte des Substrats 1 zu wenig Ätzreaktionskeime vorhan den sind; diese Erscheinung wird als innerer Belastungseffekt bezeichnet. Der Fokussierring 2 verringert die Ablaufge schwindigkeit der Ätzreaktion am Außenbereich des Substrats 1, so daß auf dem Substrat 1 eine sehr gute Ätzgleichförmig keit erzielt wird.

Man nimmt an, daß die Ätzgeschwindigkeit am Außenbereich des Substrats 1 durch den Fokussierring 2 verringert wird, weil der räumliche Auftreffwinkel des Reaktionsions auf das Sub strat 1 durch den Fokussierring 2 stärker beschränkt wird, da das Reaktionsion auf den Abschnitt näher dem Außenteil des Substrats 1 auftrifft, oder weil die Zuführung von neutralen Radikalmolekülen zur Unterstützung der Reaktion durch den Fokussierring 2 ebenso wie im Fall des reaktiven Ions be hindert wird. Das zeigt, daß das Reaktionsvermögen am Außen teil des Substrats 1 umso niedriger wird, je höher der Fokus sierring 2 ist. Daher ist die Höhe des Fokussierrings 2 ein wichtiger Parameter zum Erhalt sehr guter Ätzeigenschaften.

Die konventionelle Plasmabearbeitungsvorrichtung ist wie vor stehend beschrieben aufgebaut und unterhält in dem Bearbei tungsbehälter 7 einen vorbestimmten Druck durch Einleiten des reaktiven Gases, beispielsweise CF₄, CHF₃, Cl₂ oder HCl, in den Bearbeitungsbehälter 7 durch den Gaseinlaß 5 und gleich zeitiges Ableiten von im Bearbeitungsbehälter 7 befindlichem Gas durch den Auslaß 6. Wenn unter diesen Bedingungen eine HF-Spannung von der HF-Stromversorgung 9 zwischen die HF- Elektroden 3 und 4 geführt wird, wird zwischen den HF-Elek troden 3 und 4 ein Plasma des reaktiven Gases erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt wird die HF-Elektrode 3, auf der das Sub strat 1 liegt, mit negativem Potential aufgeladen. Daher wird zwischen der Plasmazone und der HF-Elektrode 3 eine als Hülle bezeichnete Zone mit einem starken elektrischen Feld erzeugt. Die Geschwindigkeit des im Plasma erzeugten reaktiven Gases wird durch das elektrische Feld in der Hülle erhöht, und das reaktive Gas trifft auf die HF-Elektrode 3 und das auf ihr liegende Substrat 1 auf. Infolgedessen wird durch die Reak tion des auftreffenden Ions eine dünne Schicht von beispiels weise Polysilizium, die vorher auf dem Substrat 1 gebildet worden war, weggeätzt.

Da die Höhe des Fokussierrings 2 ein wesentlicher Parameter zur Kontrolle der Ätzgleichmäßigkeit bei der vorstehend be schriebenen Plasmabearbeitungsvorrichtung ist, muß die Höhe entsprechend den Prozeßbedingungen, beispielsweise je nach der zu ätzenden Schichtart, dem einzusetzenden reaktiven Gas und der Stärke der HF-Energie, feineingestellt werden. Außer dem ist es heute wegen des hohen Integrationsgrads von Halb leiterbauelementen erforderlich, ein gleichmäßiges Ätzen eines Laminats aus mehr als zwei verschiedenen Dünnschichten (z. B. eines Wolframsilizid/Polysilizium-Laminats oder eines Aluminiumlegierung/Titannitrid-Laminats) zu erreichen.

Da jedoch der Fokussierring 2 in der konventionellen Plasma ätzvorrichtung auf der HF-Elektrode 3 befestigt und seine Höhe gleichbleibend ist, ist es schwierig, gleichzeitig sehr gute Ätzeigenschaften für verschiedene Arten von Dünnschich ten unter Anwendung des nicht höhenveränderlichen Fokussier rings 2 zu erreichen. Es ist somit schwierig, das Laminat in einer einzigen Plasmabearbeitungsvorrichtung gleichmäßig weg zuätzen.

Aus der DE 41 32 730 A1 ist ein Plasmabearbeitungsverfahren und eine Plasmabearbeitungsvorrich tung der anhand der Fig. 4 erläuterten Art zum Herstellen von Feinstrukturen bekannt. Bei dieser Plasmabearbeitungsvorrichtung ist in die das zu bearbeitende Substrat tragende, mit einer HF-Stromversorgung verbundene Elektrode ein Magnetkörper eingebettet. Durch Anlegen eines von einem außerhalb des Bearbeitungsbehälters angeordneten Elektromagneten erzeugten Magnetfeldes wird eine bestimmte Spaltbreite zwischen der das Substrat tragenden Elektrode und der Gegenelektrode eingestellt, so daß das Substrat bei optimalen Ätzbedingungen geätzt werden kann.

Diese Vorrichtung bzw. dieses Verfahren sind jedoch nicht ge eignet, einen gleichmäßigen Ablauf der Ätzreaktion über die gesamte Oberfläche des Substrats sicherzustellen, da bei ihnen kein Fokussierring vorgesehen ist.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Plasmabearbeitungsverfahrens und einer Plasmabearbeitungs vorrichtung, womit ein gleichmäßiges Ätzen eines Laminats mit einer einzigen Vorrichtung durchführbar ist und eine sehr hohe Produktivität bzw. sehr gute elektrische Eigenschaften eines herzustellenden Halbleiterbauelements erreicht werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß einem Aspekt der Erfin dung ein Plasmabearbeitungsverfahren angegeben, das die folgenden Schritte umfaßt: Anordnen eines zu bearbeitenden Substrats auf einer in einem Bearbeitungsbehälter angeord neten HF-Elektrode; Abführen von im Bearbeitungsbehälter befindlichem Gas und Einleiten von reaktivem Gas in den Be arbeitungsbehälter; und Floaten eines aus einem zylindrischen Isolator bestehenden Fokussierrings, der den Außenrand des zu bearbeitenden Substrats umgebend angeordnet ist und einen Magneten enthält, mit dem Magnetfeld eines wei teren Magneten auf eine vorbestimmte Höhe, wenn durch Anlegen von HF-Energie an die HF-Elektrode ein Plasma zum Bearbeiten des Substrats erzeugt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Plasma bearbeitungsvorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens angegeben, die umfaßt: einen Bear beitungsbehälter mit einem Einlaß und einem Auslaß für re aktives Gas; eine in dem Bearbeitungsbehälter angeordnete HF- Elektrode; eine an die HF-Elektrode angeschlossene HF-Strom versorgung; ein auf der HF-Elektrode angeordnetes zu bearbei tendes Substrat; eine Magnetfelderzeugungseinrichtung, die in dem Bearbeitungsbehälter ein Magnetfeld erzeugt; und einen aus einem zylindrischen Isolator bestehenden Fokussierring, der den Außenrand des Substrats umgebend ange ordnet ist und einen Magneten aufweist.

Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Plasmabearbeitungs verfahren und der erfindungsgemäßen Plasmabearbeitungs vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 und 3 bzw. 5 bis 11 angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausfüh rungsbeispiels der Plasmabearbeitungsvorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 und 3 schematische Schnittdarstellungen weiterer Ausfüh rungsbeispiele der Plasmabearbeitungsvorrichtung; und

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung einer kon ventionellen Plasmabearbeitungsvorrichtung.

Fig. 1 zeigt im Schnitt ein Ausführungsbeispiel der Plasma bearbeitungsvorrichtung. Dabei sind mit 1 und 4-9 die glei chen Komponenten wie bei der eingangs beschriebenen konven tionellen Plasmabearbeitungsvorrichtung bezeichnet. Bei dem Ausführungsbeispiel sind Permanentmagnete 10 in einen Fokus sierring 2A eingebettet, und Elektromagnete 11 sind in eine HF-Elektrode 3A eingebettet.

Bei dieser Plasmabearbeitungsvorrichtung wird auf der HF- Elektrode 3A ein zu bearbeitendes Substrat 1 angeordnet, auf dem vorher ein wegzuätzendes Laminat und eine Resiststruktur gebildet wurden. Wenn dann den Elektromagneten 11 elektri scher Strom zugeführt wird, stoßen die Elektromagnete 11 und die in den Fokussierring 2A eingebetteten Permanentmagnete 10 einander ab, und der Fokussierring 2A wird durch Magnetismus gefloatet und steht still. Zu diesem Zeitpunkt ist die Stärke des durch die Elektromagnete 11 fließenden elektrischen Stroms so vorgegeben, daß die Höhe des Fokussierrings 2A zur Erzielung einer optimalen Gleichförmigkeit geeignet ist, wenn die oberste Schicht des auf dem Substrat 1 gebildeten Lami nats (nicht gezeigt) weggeätzt wird.

Anschließend wird ein vorbestimmter Druck in dem Bearbei tungsbehälter 7 dadurch aufrechterhalten, daß ein reaktives Gas wie etwa CF₄, CHF₃, Cl₂ oder HCl durch den Gaseinlaß 5 eingeleitet und gleichzeitig reaktives Gas durch den Gas auslaß 6 abgeleitet wird. Wenn unter diesen Bedingungen die Hochfrequenzspannung von der HF-Stromversorgung 9 zwischen die HF-Elektroden 3 und 4 geführt wird, wird zwischen den HF- Elektroden 3 und 4 ein Plasma des reaktiven Gases erzeugt. Dabei wird die oberste Schicht des Laminats weggeätzt. Wenn das Ätzen der obersten Schicht beendet ist, wird die HF- Stromversorgung 9 abgeschaltet, die Zufuhr von reaktivem Gas durch den Gaseinlaß 5 wird gleichzeitig unterbrochen, um die Ätzreaktion abzubrechen, und das im Bearbeitungsbehälter 7 befindliche Gas wird einige Zeit lang abgeleitet.

Dann wird die zweite Schicht weggeätzt. In diesem Fall brau chen nur die obigen Vorgänge wiederholt zu werden. Dabei wird die Stärke des zum Elektromagneten 11 fließenden Stroms ein gestellt, der Fokussierring 2A wird in eine Lage gefloatet, die zur Erzielung der optimalen Ätzgleichförmigkeit des Mate rials der zweiten Schicht geeignet ist, das reaktive Gas wird in den Bearbeitungsbehälter 7 eingeleitet, und die hochfre quente elektrische Energie wird zwischen die HF-Elektroden 3A und 4 geleitet, so daß ein Plasma des reaktiven Gases erzeugt wird. Nach beendetem Wegätzen der zweiten Schicht wird die Ätzreaktion durch die gleichen Vorgänge wie im Fall der obersten Schicht beendet. Wenn das Laminat aus mehr als zwei Schichten besteht, wird für jede Schicht des Laminats ein gleichmäßiges Ätzen durchgeführt, wobei die obigen Vorgänge so oft wiederholt werden, wie es der Anzahl Schichten des Laminats entspricht.

Die Permanentmagnete 10 sind zwar bei diesem Ausführungsbei spiel in den Fokussierring 2A eingebettet, aber gemäß Fig. 2 können Elektromagnete 12 in einen Fokussierring 2B einge bettet sein. In diesem Fall kann elektrische Energie den Elektromagneten 12 durch Anschlußstifte 13 oder dergleichen über elektrische Kontakte 14 zugeführt werden, die in der HF- Elektrode 3A angeordnet sind. Ferner sind zwar bei dem obigen Ausführungsbeispiel die Elektromagnete 11 in die HF-Elektrode 3A eingebettet, aber gemäß Fig. 3 können Elektromagnete 15 an beiden Seiten des Bearbeitungsbehälters 7 angeordnet sein, oder Elektromagnete 16 können über dem Bearbeitungsbehälter 7 angeordnet sein. Diese Magnete können in jeder gewünschten Lage angeordnet sein und haben die gleichen Auswirkungen wie bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Das obige Ausführungsbeispiel wurde zwar in Verbindung mit dem Plasmaätzen eines Laminats erläutert, aber selbstver ständlich ist die Erfindung zum Ätzen einer Einzelschicht oder zum Vielschritt-Ätzen ebenso geeignet. Zum Erhalt optimaler Ätzbedingungen kann die Höhe des Fokussierrings 2A auch während des Ätzvorgangs selbst verstellbar sein.

Claims

1. Plasmabearbeitungsverfahren, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Anordnen eines zu bearbeitenden Substrats auf einer in einem Bearbeitungsbehälter befindlichen HF-Elektrode;
Abführen von im Bearbeitungsbehälter befindlichem Gas und Einleiten von reaktivem Gas in den Bearbeitungsbehälter; und
Floaten eines aus einem zylindrischen Isolator bestehenden Fokussierrings, der den Außenrand des zu bearbeitenden Substrats umgebend angeordnet ist und einen Magneten enthält, mit dem Magnetfeld eines weiteren Magneten auf eine vorbe stimmte Höhe, wenn durch Anlegen von HF-Energie an die HF- Elektrode ein Plasma erzeugt wird, um das Substrat zu bear beiten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine Vielzahl von Schichten aufweisendes Laminat auf dem Substrat gebildet ist und die Höhe des Fokussierrings nach Maßgabe jeder dieser Schichten eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat ein Laminat mit einer einzigen Schicht gebildet ist und ein Vielschrittätzvorgang durchgeführt wird.

4. Plasmabearbeitungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch
einen Bearbeitungsbehälter (7) mit einem Einlaß (5) und einem Auslaß (6) für reaktives Gas;
eine in dem Bearbeitungsbehälter (7) angeordnete HF- Elektrode (3A);
eine an die HF-Elektrode (3A) angeschlossene HF- Stromversorgung (9);
ein auf der HF-Elektrode (3A) angeordnetes zu bearbeitendes Substrat (1);
eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (11, 15, 16), die in dem Bearbeitungsbehälter (7) ein Magnetfeld erzeugt; und
einen aus einem zylindrischen Isolator bestehenden Fokussierring (2A), der den Außenrand des Substrats (1) umgebend angeordnet ist, einen Magneten (10, 12) enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelderzeugungseinrichtung ein Elektromagnet (11, 15, 16) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (11) in die HF-Elektrode (3A), auf der das Substrat (1) liegt, eingebettet ist (Fig. 1, 2).

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (15) an der Seite des Bearbeitungs behälters (7) angeordnet ist (Fig. 3).

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (16) über dem Bearbeitungsbehälter (7) angeordnet ist (Fig. 3).

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem Fokussierring (2A) angeordnete Magnet ein Permanentmagnet (10) ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem Fokussierring (2B) angeordnete Magnet ein Elektromagnet (12) ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (10, 12) in den Fokussierring (2A) eingebettet ist.