DE4132559A1

DE4132559A1 - Verfahren zur in-situ-reinigung von abscheidekammern durch plasmaaetzen

Info

Publication number: DE4132559A1
Application number: DE19914132559
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl Ing Steinhardt; Oswald Dr Rer Nat Spindler; Hans Raske; Josef Dr Rer Nat Mathuni
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1991-09-30
Publication date: 1993-04-08
Also published as: JPH05214531A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur in-situ-Reinigung von in der Halbleitertechnologie zur Schichterzeugung verwendeten Abscheidekammern durch Plasmaätzen. Die Erfindung betrifft außerdem eine Verwendung des Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus "Reducing Contamination by In-Situ Plasma Cleaning of LPCVD-Tubes", D.W. Benzing, Microcontamination May 1986, bereits bekannt.

Die Abscheide- und Ätztechnik sind, neben Lithographie- und Dotiertechnik, zwei der grundlegenden Prozesse, die in der Prozeßfolge zur Herstellung von integrierten Schaltungen aus Siliziumsubstraten immer wieder verwendet werden. Die Entwick lungsfortschritte bei der Erhöhung der Chipintegrationsdichte haben die Anforderungen an die Einzelprozesse und Prozeßfol gen ständig verschärft. Damit zusammenhängend macht sich zu nehmend eine verstärkte Notwendigkeit von hocheffektiven und fertigungstauglichen Reinigungsschritten bemerkbar. Als beson ders kritisch hat sich dabei, neben der Scheibenreinigung, die spätestens nach einem bestimmten Durchsatz an Siliziumscheiben erforderliche Reinigung der in jedem Herstellungszyklus wieder holt zur Schichterzeugung verwendeten Abscheidekammern erwie sen.

Abscheidekammern werden beispielsweise zur Durchführung der häufig eingesetzten Niederdruck-Gasphasenabscheidungen (LPCVD), mit denen u. a. Polysilizium-, Siliziumnitrid- und Siliziumoxid schichten abgeschieden werden, verwendet. Um auch in temperatur sensiblen Prozeßbereichen Schichten mit hinreichender Quali tät erzeugen zu können, wurden plasmaunterstützte Gasabschei deverfahren (PECVD) entwickelt, bei denen die Aktivierung und Auslösung der Gasphasenabscheidung nicht primär thermisch, sondern durch ein Plasma erfolgt. Zum Stand der Abscheide technik wird auf D. Widmann et al, "Technologie hochinte grierter Schaltungen", Springer-Verlag 1988, insbesondere Abschnitte 3.1.1 und 5.2.1-3, hingewiesen.

Aufgrund der bekannten Nachteile einer Feuchtreinigung der Abscheidekammern, insbesondere der mangelnden Anlagenverfüg barkeit und des unzureichenden Reinigungseffektes bei derar tigen "ex-situ"-Reinigungsprozeduren, und da die Abscheide kammern heute meistens ohnehin für plasmaunterstützte Abschei dungen ausgelegt sind, erfolgt die Kammerreinigung gegenwärtig üblicherweise durch in-situ-Trockenätzen mittels im Plasma aktivierter Ätzgase.

Das plasmaunterstützte Abscheiden dünner Schichten geschieht häufig in Vakuumkammern, die mit einer auf Erde liegenden beheizten Anode und einer HF-gespeisten Kathode ausgestattet sind. In diese Abscheidekammer werden dann Reaktionsgase bei konstantem Druck und Fluß eingelassen. Die Abscheidung findet nicht nur auf der in der Kammer befindlichen, zu beschichten den Probe statt, sondern, mit unterschiedlichen Dicken, im gan zen Reaktionsraum. Zur Vermeidung von Kammeröffnungen, sowie dem Aus- und Einbau von Teilen mit den damit verknüpften Be schädigungsrisiken muß die Kammer ohne Öffnung und mit der vorhandenen technischen Anordnung gereinigt werden. Anstatt Gasen, die beispielsweise oxidische und nichtoxidische Glas- sowie Keramikschichten bilden, werden deshalb schichtauflösen de Gase in die Abscheidekammer eingeleitet, die dort in einem mittels der vorhandenen Elektroden erzeugten Plasma aktiviert werden. Im Plasma entstehen Ionen, Atome, Radikale und andere verschiedene Bruchstücke der eingeleiteten Gase, die mit den an den inneren Oberflächen der Kammer abgeschiedenen Schichten zu gasförmigen Produkten reagieren. Die unerwünschten Abschei dungen werden dadurch abgetragen und die gasförmigen Produkte können mittels Vakuumpumpen aus dem Reaktionsraum abtranspor tiert werden.

Die auf eine unzureichende Reinigung aller Kammeroberflächen zurückgehende Kontamination stellt eines der Hauptprobleme der zur Zeit in der Mikroelektronik zur Abscheidung von Schichten verwendeten Fertigungsanlagen dar. Auch die zuvor beschriebene in-situ-Reinigung durch Plasmaätzen ist, wie nachfolgend dar gelegt wird, nicht ohne Schwierigkeiten und zu einer zufrie denstellenden Lösung des Problems der Reinigung von Abscheide kammern schon deshalb nicht geeignet, da sich das Design der Abscheidekammer dabei bisher immer als Kompromiß aus den For derungen nach einer guten Abscheide- und Reinigungsleistung er gibt. Erwünscht ist jedoch ein Reinigungsverfahren, das eine Optimierung des Designs der Abscheidekammer hinsichtlich ihrer eigentlichen Hauptaufgabe erlaubt.

Eine der wichtigsten Anforderungen an ein fertigungstaugliches Reinigungsverfahren sind kurze Reinigungszeiten. Diese sollen eine möglichst hohe Verfügbarkeit der Abscheidekammer für den Fortgang der Fertigung gewährleisten. Als unmittelbare Folge rung muß die Ätzung mittels Anregung bei sehr hohen Hochfre quenzenergien betrieben werden, um ausreichende Ätzraten zu erzielen. Einerseits werden im üblicherweise angelegten elek trischen RF-Feld besonders die lonen mit größer werdender Span nung besonders stark zu den Elektrodenoberflächen hin be schleunigt. Außer zu Anisotropie- und zu Abschattungseffekten führt die benötigte hohe Anregungsenergie indirekt also auch dazu, daß die Elektrodenoberflächen aufgrund unterschiedlicher Schichtdicken verschieden stark erodierend angegriffen werden, da immer solange geätzt werden muß, bis die dickste Schicht abgeätzt ist. Andererseits ist die durch die Plasmaanregung erzeugte Dichte isotrop ätzender, langlebiger Spezies trotz relativ hoher Anregungsenergie noch so gering, daß ungünstig gelegene Kammeroberflächen, die im Bereich geringerer Plasma dichte liegen, in der wegen der Schädigung der Elektroden nicht beliebig zur Verfügung stehenden Zeit nur ungenügend abgeätzt werden können. Dies führt mit zunehmender Einsatz dauer zur Schichtdickenzunahme und weiteren, kontaminierenden Partikeln.

Weitere Probleme ergeben sich beispielsweise aus der mangeln den Selektivität hochenergetischer Ätzgasteilchen gegenüber Schutzschichten wie Aluminiumoxid (Al₂O₃). Hinzu kommt vor allem noch die schlechte Haftung der auf aus dem Ätzgas stammenden organischen Polymerschichten parasitär abgeschiede nen Schichten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ge genüber den genannten Nachteilen verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur Reinigung vorgesehene Ätzgase in einer von der Abscheidekammer räumlich getrennten, mikrowel lengespeisten Plasmaentladung intensiv angeregt werden, und daß aktivierte, elektrisch neutrale Ätzgasteilchen danach in die Abscheidekammer eingelassen werden und dort alle Oberflä chen mit hoher, von der Position und Anordnung der Oberflächen unabhängiger Ätzrate ätzen.

Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekenn zeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden u. a. anhand eines Ausführungs beispieles und der Zeichnung, deren einzige Figur, schematisch und geschnitten eine Abscheideanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt, noch näher erläutert.

Die in der Figur dargestellte Abscheidekammer verfügt über Gaszuleitungen 11 und 12, beispielsweise für die Zuleitung von SiH₄ bzw. Argon, ein Gassammelrohr 14 und einen Mischraum 8 für Abscheidegase. Im Inneren der Kammer sind üblicherweise eine Gasabsaugkammer 5 und ein Waferhebemechanismus 6 vorgese hen. In der Figur ist ein Siliziumwafer 13 dargestellt, der sich auf einem metallischen Träger, der gleichzeitig als geer dete und beheizte erste Elektrode 1 dient, befindet. Andere, im Inneren der Kammer angeordnete Teile, beispielsweise Befe stigungsmittel 3, sind vorzugsweise aus Keramik. Eine zweite, mit Hochfrequenzspannung gespeiste Elektrode 2 bildet gleich zeitig den Gaseinlaß vom Mischraum 8 in die eigentliche Ab scheidezone der Kammer. Die Anordnung der von der Kammerwand 4 umgebenen Teile der Abscheidekammer läßt Abschattungseffekte erwarten.

Zur erfindungsgemäßen Reinigung der in der Figur dargestellten Abscheideanlage werden zur Reinigung vorgesehene Ätzgase, bei spielsweise CF₄ bzw. O₂, über Zuleitungen 9 bzw. 10 in ein Ätz gaseinleitungsrohr 15 eingebracht und dort, von der Abscheide kammer räumlich getrennt, durch eine Mikrowellenquelle 7 inten siv angeregt. Die aktivierten Ätzgasteilchen werden anschließend in die Abscheidekammer eingelassen, wo sie, gegebenenfalls un terstützt durch ein von den vorhandenen Elektroden 1 und 2 er zeugtes Plasma sehr geringer Leistung, die gesamte Abscheide kammer mittels eines Ätzprozesses reinigen. Dabei entstehende Reaktionsprodukte und Verunreinigungen können ohne weiteres mittels Vakuumpumpen über eine Absaugleitung 16 entfernt wer den.

Im Gegensatz zu bekannten plasmaunterstützten Reinigungsver fahren findet beim erfindungsgemäßen Verfahren eine externe und besonders intensive Mikrowellenanregung statt. Besonders vorteilhaft für die Mikrowellenanregung ist ein spezielles Verfahren, zu dem wir auf die am gleichen Tag wie die vorlie gende Anmeldung eingereichte Patentanmeldung Nr. . . .... mit dem Titel "Verfahren zur Generierung angeregter neutraler Teilchen für Ätz- und Abscheideprozesse in der Halbleiter technologie mittels einer mikrowellenenergiegespeisten Plas maentladung" hinweisen, die hiermit in die Offenbarung einbe zogen wird. Das zitierte spezielle Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Reaktivteilchengeneration, insbesondere eine sehr hohe Dichte neutraler Aktivteilchen, aus, was angesichts der großen Kammeroberfläche sehr vorteilhaft ist. Durch die entfernte Anordnung der Anregungsvorrichtung vom Reaktionsraum werden beim erfindungsgemäßen Verfahren für die Abscheidekam mer schädliche Spezies des Anregungsplasmas ausgesondert, an dererseits aber nützliche, neutrale Reaktivteilchen mit hoher Lebensdauer und in hoher Dichte erzeugt.

Die durch das Ätzgaszuleitungsrohr 15 in die Abscheidekammer kommenden Neutralteilchen haben außer der durch die Gasströ mung und die Brown′sche Molekularbewegung vorgegebene, keine zusätzliche kinetische Energie und ätzen rein chemisch und deshalb isotrop. Alle Kammeroberflächen werden deshalb vor teilhafterweise unabhängig von ihrer Position und Anordnung gleich schnell geätzt, die Kammergeometrie kann also ganz auf Abscheidung hin optimiert werden.

Aufgrund der fehlenden kinetischen Energie der tatsächlich ätzenden Ätzgasteilchen werden die Kammeroberflächen nicht durch Absputtern oder Ionenbombardement geschädigt. Trotzdem kann mit der erfindungsgemäß einzusetzenden hohen Reaktivteil chendichte - im Druckbereich von etwa 0,05 bis 500 Pa sind mehr als 50% aller vorhandenen Gasmoleküle angeregt - die Ätz rate hoch und damit die Ätzzeit klein gehalten werden. Erfin dungsgemäß kann mithin auch bei sehr tiefen Drücken geätzt werden, ohne daß die Ätzrate merklich abnimmt. Dadurch wird der Anwendungsbereich bezüglich der Reinigungsoptimierung er heblich erweitert.

An Stellen mit besonders dicken Abscheidungen, insbesondere an den Elektroden, kann zusätzlich ein Plasma sehr geringer Leis tung mit Hilfe der vorhandenen Elektroden gezündet werden, um lokal die Ätzrate zu erhöhen und um die Ätzzeit für alle Kam merteile gleich zu wählen, ohne daß die Leistungsbelastung durch den Plasmaeinfluß wieder zum erhöhten Teileverschleiß führt. Ausgenützt wird dabei die Tatsache, daß die durch Mi krowellenenergie bereits intensiv angeregten Teilchen nur noch einer geringen zusätzlichen Anregung im Plasma bedürfen, um die Ätzrate zu erhöhen. Die intermolekulare Energieübertra gung, bei der durch Auswahl und Anregung eines geeigneten, primär durch Mikrowelle angeregten Gases mit metastabilen Zuständen definiert Energie auf ein anderes Molekül zu einer spezifisch gewünschten Sekundärreaktion übertragen wird, eröffnet zusätzliche Möglichkeiten für schonende Ätzreaktionen in einem definierten Energiebereich.

Mit dem erfindungsgemäßen in-situ-Reinigungsverfahren lassen sich die Nachteile der bisher bekannten Verfahren, wie hohe Kosten durch lange Instandsetzung und Ausfallzeiten, verur sacht durch Verschleiß und "ex-situ"-Reinigung, vermeiden. Ursache ist eine sanfte, isotrop wirkende Ätzung mit hoher Ätzrate im gesamten Kammerbereich, deren Wirkung vollkommen unabhängig von der Kammergeometrie ist und keine Einschrän kungen hinsichtlich des Abscheideprozesses notwendig macht. Außerdem können parasitäre Schichten ohne Zeitverlust dünn gehalten werden. Als Ausführungsbeispiel werden nachfolgend einige wichtige Verfahrensparameter für die Reinigung einer Polysilizium-Abscheidekammer angegeben.

Temperatur:\|300-400°C
Druck:	150 Pa
Mikrowellenleistung:	850 W
Ätzgas:	CF₄, O₂
Gasströmung:	200 sccm
Ätzrate:	3000 nm/min
zusätzliche HF-Leistung an den Elektroden:	30-50 W
Ätzrate mit Zusatzleistung:	5000 nm/min
geätzte Schicht:	Polysilizium
Reaktionsprodukte	SiF₄ + CO

Die Erfindung ist, bei Einsatz der dafür geeigneten Ätzgase, auch auf andere abzuscheidende Materialien anwendbar. Bei spielsweise lassen sich Abscheidekammern für Wolfram, Sili ziumoxid, Bornitrid und Siliziumnitrid mit NF₃ als Ätzgas bei hohen Ätzraten reinigen. Für Kammern, in denen Al bzw. Cu ab geschieden wird, kann vorteilhaft Chlorgas eingesetzt werden. Prinzipiell ist dabei für jede zu entfernende Schicht das Ätz gas einzusetzen, welches bei der entsprechenden Kammertempera tur gasförmige, flüchtige Reaktionsprodukte mit dieser Schicht bildet.

Bei der Halbleiter-Herstellung erlangen Mehrkammersysteme, bei denen an zu bearbeitenden Substraten mehrere Prozeßschritte hintereinander in verschiedenen Kammern vorgenommen werden, ohne daß dabei eine Unterbrechung des im Mehrkammersystem ins gesamt herrschenden Vakuums erfolgt, zunehmende Bedeutung. Eine vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der besonders schnellen Reinigung der Abscheidekam mern derartiger Mehrkammersysteme insbesondere innerhalb der Totzeit während des Kammerwechsels, also innerhalb etwa 20 bis 30 Sekunden.

Claims

1. Verfahren zur in-situ-Reinigung von in der Halbleitertech nologie zur Schichterzeugung verwendeten Abscheidekammern durch Plasmaätzen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reinigung vorgesehene Ätzgase in einer von der Abschei dekammer räumlich getrennten mikrowellengespeisten Plasmaent ladung intensiv angeregt werden, und daß aktivierte, elek trisch neutrale Ätzgasteilchen danach in die Abscheidekammer eingelassen werden und dort alle Oberflächen mit hoher, von der Position und Anordnung der Oberflächen unabhängiger Ätz rate ätzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur lokalen Erhöhung der Ätzrate während der Reinigung zusätzlich in der Abscheidekammer, insbesondere mittels dort bereits vorhandener Elektroden, ein Plasma sehr geringer Leistung, insbesondere unterhalb etwa 50 W, gezündet wird.

3. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 zur schnellen Reinigung von aus vakuumverbundenen Abscheidekammern bestehen den Mehrkammersystemen insbesondere innerhalb der Totzeit während des Kammerwechsels.