DE4319683A1 - Entfernen von Polymerrückständen auf Kohlenstoffbasis mit Ozon, die bei der Reinigung von Plasmareaktoren von Nutzen ist - Google Patents

Entfernen von Polymerrückständen auf Kohlenstoffbasis mit Ozon, die bei der Reinigung von Plasmareaktoren von Nutzen ist

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Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft die Wartung von Halbleiter-Gerät und insbeson­ dere die Reinigung von Gerät mittels Entfernung von Polymerrück­ ständen auf Kohlenstoffbasis aus Vakuumkammern. Die Erfindung ist auch bei anderen Arten von Vakuumkammern und bei anderem Gerät, das der Ablagerung von Polymerrückständen auf Kohlenstoffbasis ausge­ setzt sein kann, von Nutzen.
Hintergrund der Erfindung
Plasma-Trockenätz-Maschinen oder Reaktoren sind Vakuumkammern, in denen ein elektrisches Plasma erzeugt wird, um Halbleiterwafer zu ätzen. Das Ätzen wird üblicherweise durch eine Fotowiderstandsmaske hindurch durchgeführt. Recht oft ist es erwünscht, Oxidschichten bevor­ zugt über benachbartem Polysilizium, wie dem Wafer-Substrat, zu ätzen.
Das Trockenätzen von bestimmten Filmen (z. B. Siliziumdioxid), das bei der Halbleiter-Herstellung angewendet wird, beinhaltet die Verwendung von Fluorkohlenstoff enthaltenden Gasen, um eine gute Selektivität zu den Silizium- oder Siliziumnitrid-Substraten, die in dem Herstellungsver­ fahren üblicherweise verwendet werden, zu erzielen. Eines der bedeu­ tendsten Beispiele einer Trockenätzung ist die Siliziumdioxid-Kontakt­ ätzung mit hohem Tiefen-zu Seiten-Verhältnis.
Bei dem Trockenätz-Verfahren wird ein Wafer über einer metallischen Kathodenplatte angeordnet, und Plasma wird entladen, um von einer Kathode zu der Anodenplatte zu strömen, wobei der Wafer als die Ka­ thode fungiert.
Während der Verarbeitung von Kontakten mit hohem Tiefen-zu Seiten- Verhältnis wird eine CF4 + CHF3-Chemie verwendet, um eine hohe Ätzgeschwindigkeit zu erzielen, während gleichzeitig eine ausreichende Selektivität zu dem Silizium-Substrat beibehalten wird. Die Kontakt­ ätzung wird erreicht durch die selektive Abscheidung der Fluorkohlen­ stoff-Polymere auf Kohlenstoff/Fluorid-Basis auf Oberflächen, die nicht geätzt werden sollen. Als ein Ergebnis dieses Verfahrens werden die Fluorkohlenstoff-Polymere auf geerdeten Bereichen der Reaktorober­ fläche abgeschieden. Ähnlich wird in anderen Ätzverfahren ein Fluor­ kohlenstoff-Polymer auf den Wafer aufgebracht, um das bevorzugte Ätzen des Siliziumdioxids über Silizium zu verursachen. Zum Beispiel findet das Ätzen von Siliziumdioxid in einem planaren System in C2F6 statt, das eine gute Selektivität liefert, wenn man Siliziumdioxid über Silizium-Substraten ätzt. Selektivität ist eine Hauptüberlegung bei Plasma-Ätzverfahren.
Um das gewünschte Kontaktprofil und die gewünschten Substrat-Selekti­ vitäten zu erhalten, muß das Kohlenstoff/Fluorid-Verhältnis optimiert werden. In den meisten Fällen führt das optimale Kohlenstoff/Fluorid- Verhältnis für die Kontaktätzung zu einem starken Abscheidevorgang von Fluorkohlenstoff-Polymer für die geerdete Anode des Trockenätz- Reaktors. Das sich ergebende dicke Polymer beeinflußt direkt die Teil­ chenleistung des Verfahrens und folglich die zeitliche Verfahrensstabi­ lität.
Der Polymer-Aufbau neigt dazu, um den äußeren Umfang der Anode herum, außerhalb der Fläche, wo der Wafer ruht, aufzutreten, und dieser Aufbau wechselwirkt mit dem Ätzverfahren. Das Fluorpolymer neigt dazu, auf kühleren Oberflächen und geerdeten oder nicht mit Ener­ gie beaufschlagten Oberflächen wie der Anodenplatte, abgeschieden zu werden.
Wenn es in der Kammer einen großen Aufbau von Fluorkohlenstoffen gibt, gibt es eine größere Gelegenheit zur Kontaminierung der Wafer. Die Abscheidung macht die Entfernung der Anodenplatte zur Reinigung nach einer gegebenen Anzahl von Wafern, typischerweise 500 bis 800 Wafern, erforderlich. Die Entfernung zum Reinigen führt zu einer Gerät-Abschaltzeit für die Plasma-Trockenätz-Maschine wegen der Schwierigkeit beim Entfernen und Ersetzen der Anodenplatte. Als ein Ergebnis ist manuelles Reinigen sehr zeitaufwendig und behindert das Herstellungsverfahren stark. Für die meisten solcher selektiver Oxid­ ätzungen ist das Polymerfilm-Abscheidungs-Problem im wesentlichen der größte limitierende Faktor des Wafer-Durchsatzes pro Kammerreinigung. Das US-Patent Nr. 4,859,304 mit dem Titel "Temperature Controlled Anode for Plasma Dry Etchers for Etching Semiconductor" beschreibt einige der Probleme, die mit Fluorpolymer-Rückständen in Verbindung stehen.
Gegenwärtig werden Trockenätz-Reinigungs-Programme unter Verwen­ dung von Sauerstoff angewendet, um das Problem der Fluorkohlenstoff- Rückstands-Entfernung zu handhaben. Gängigerweise wird zur Plasma­ trockenreinigung Sauerstoff verwendet. Die Entfernung des Fluorkohlen­ stoff-Polymers wird durch den elementaren Sauerstoff bewirkt, der durch Plasma-Ionisierung erzeugt wird. Die Menge an erzeugtem ele­ mentaren Sauerstoff ist proportional der Ionisierungs-Wirksamkeit der Plasmaquelle. Für die meisten der typischen Ätz-Werkzeuge ist die Ionisierungs-Wirksamkeit in der Größenordnung von 0,01% bis 0, 1%.
Die vorliegende Erfindung erhöht die Menge an elementarem Sauerstoff, der während des Reinigungsverfahrens anwesend ist, indem sie Ozon anstelle von Sauerstoff verwendet. Ozon wird gängigerweise verwendet für Plasmaoxidabscheidung und Naßreinigung, Verfahren, die von der Verwendung von Ozon für eine Trockenkammerreinigung bedeutsam verschieden sind. In Gegenwart ausreichender Wärme zersetzt sich Ozon unter Bildung von Sauerstoff und einem freien Radikal. Die Zersetzung des Ozons könnte durch Plasma-Anregung angetrieben werden. Der tatsächlich Gewichtsprozentsatz an Ozon, das über einen Ozongenerator in den Reaktor injiziert wird, ist näherungsweise 4,2%. Auf der Basis dieser Zahl würde die Verwendung von Ozon statt Sauerstoff zu zwei bis drei Größenordnungen mehr elementarem Sauerstoff zur Reaktion mit dem Fluorkohlenstoff-Polymer-Rückstand führen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß vorliegender Erfindung wird Ozon verwendet, um ein Reinigen einer Trockenätz- oder einer anderen Kammer durch Entfernen von Polymerrückständen auf Kohlenstoffbasis aus der Kammer zu bewirken. Die Entfernung des Rückstands auf Kohlenstoffbasis tritt bei einer Ge­ schwindigkeit auf, die erheblich höher ist als die Geschwindigkeit von Verfahren, die gegenwärtig verwendet werden, um die Kammerreinigung zu bewirken.
Das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung weist folgende Schritte auf:
Anregen eines Plasmas in dem Reaktor, das Ozongas enthält, wobei das Ozon reaktiv ist mit den Rückständen auf Kohlenstoffbasis auf den Oberflächen des Reaktors, wodurch flüchtige Endprodukte gebildet werden, und
Evakuieren der flüchtigen Endprodukte aus dem Reaktor.
Alternativ weist das Verfahren zum Reinigen eines Reaktors folgende Schritte auf:
  • - Anregen eines ersten Plasmas, das Ozon enthält, in den Reaktor zum Reinigen des Reaktors, wodurch ein strömbarer Rückstand erzeugt wird;
  • - Erzeugen eines zweiten Plasmas durch Erhöhen des Drucks auf das erste Plasma, zum weiteren Reinigen der Reaktionskammer, wo­ durch mehr des strömbaren Rückstands erzeugt wird; und
  • - Entfernen des strömbaren Rückstands aus der Reaktionskammer.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die wirksamere Erzeugung von elementarem Sauerstoff, um die Trockenätz-Reinigung der Polymer- Rückstände auf Kohlenstoffbasis innerhalb der Ätzkammer zu bewirken. Als Ergebnis wird weniger Zeit beim Reinigen der Kammer benötigt, und folglich kann die Produktion schnell wieder aufgenommen werden.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die gesteigerte Trockenreinigungs-Leistungsfähigkeit, die einen außerordentlich positi­ ven Einfluß hat auf den Produktionswert jeglicher Kontaktätz-Verfahren mit hohem Tiefen-zu Seiten-Verhältnis. Die vorliegende Erfindung mini­ miert die Abschaltzeit in dem Herstellungs-Verfahren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird besser verstanden werden durch Studi­ um der folgenden Beschreibung nicht beschränkender Ausführungsfor­ men unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeich­ nungen zeigen:
Fig. 1 einen teilweisen, schematischen Querschnitt einer planaren Trockenätz-Vorrichtung vor der Kammerrei­ nigung; und
Fig. 2 einen teilweisen, schematischen Querschnitt einer planaren Trockenätz-Vorrichtung anschließend an die Kammerreinigung gemäß dem Verfahren der vorlie­ genden Erfindung.
Genaue Beschreibung der Erfindung
In Fig. 1 ist eine Plasma-Trockenätz-Kammer gezeigt, in der Fluorkoh­ lenstoff-Gase verwendet werden können, um eine gegenüber Silizium oder Siliziumnitrid selektive Ätzung von, z. B. Siliziumdioxid durch­ zuführen. Fig. 1 ist ein Teil-Querschnitt einer typischen Plasma-Ätz- Kammer, allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Kammer 10 besteht aus einem hohlen, zylindrischem Glied 11 mit einer oberen und unteren Endplatte 12 bzw. 13. Innerhalb der Kammer 10 angeordnet sind ein Paar zylindrischer, beabstandeter, scheibenförmiger oberer und unterer Elektroden 16 bzw. 17. Die untere Elektrode 17, die aus Aluminium oder dergleichen hergestellt sein kann, hat eine zentrale Öffnung 26 und ist fest mit einem hohlen Metallrohr 27 verbunden, das von der unteren Endplatte 13 durch eine hermetische Durchführungs­ hülse 28 isoliert ist. Das untere Ende des Rohres 27 ist verbunden mit einer Radiofrequenz(RF)-Energiequelle 25. Eine Vakuumpumpe 29 dient dazu, innerhalb der Kammer 10 ein Vakuum beizubehalten, und dient auch dazu, verbrauchte Gase darin zu entfernen. Der Polymerrückstand wird durch die Bezugsziffer 30 bezeichnet. Zur leichteren Darstellung wurde die Menge an vorhandenem Film 30 übertrieben.
Für die Zwecke dieser Anmeldung und zur leichteren Diskussion wird die Elektrode 16 als eine Anode bezeichnet und die Elektrode 17 als eine Kathode. Es versteht sich für den Fachmann von selbst, daß die Anode nicht notwendigerweise die obere Elektrode zu sein braucht und umgekehrt.
Die bevorzugte Ausführungsform bezieht ein in-situ-Reinigungsverfahren unter Verwendung von Ätzgasen in der Kammer 10, die durch ein in der Kammer 10 erzeugtes Plasmafeld aktiviert werden, ein. Das Plasmafeld wird durch ein elektrisches Radiofrequenz(RF)-Feld bei 25 erzeugt. Diese Art von Reinigung ist anwendbar auf Röhrenöfen, wie sie für chemische Dampfabscheidungs-Verfahren verwendet werden, wo der Aufbau von durch die Reaktion erzeugten Teilchen größer ist als in Oxidations-Verfahren, sowie für Plasmaätz-Verfahren und chemische Dampfabscheidungs-Verfahren in Plasmaphase.
Ein alternatives Verfahren bezieht die in-situ-Kammerreinigung mit einem tragbaren Plasmagenerator ein. Der Plasmagenerator ist innerhalb der Kammer angeordnet, wo er Ätzgase aktiviert, die in die Kammer geleitet werden. Die Gase ätzen Kontaminierungen weg.
Wenn ermittelt wird, daß der Polymerfilm 30 auf der Kammer- Hardware dick genug geworden ist, um eine vorgeschriebene Standards überschreitende Teilchen-Kontaminierung zu erzeugen, werden alle Wafer aus dem System entfernt. Die Standard-Verfahrensgase, die in der Kammer sind, werden aus der Verfahrenskammer 10 evakuiert. Eine Wafer-Attrappe 14 wird in dem Reaktor angeordnet, um empfindliche Hardware (wie die Kühlvorrichtung an der Rückseite) während des Reinigungszyklus zu schützen.
Die Verfahrensgase, die mit dem Reinigungszyklus in Verbindung stehen, werden dann durch die Anodenelektrode 16 in den Reaktor 10 eingebracht. Die Richtung der Gasströmung ist durch die Pfeile angege­ ben. Die Radiofrequenz(RF)-Spannung 25 wird dann an die Kammer angelegt, um die ozonenthaltenden reaktiven Spezies (d. h. die Reini­ gungsgase) anzuregen. Das Ozonplasma reagiert mit dem Fluorkohlen­ stoff-Polymer 30 auf den Kammeroberflächen 11, 12, 13,16, 17 unter Bildung von flüchtigen Rückständen. Die reaktiven Gase und die flüchti­ gen Rückstände werden dann aus dem Reaktor durch eine mechanische Pumpe 29 herausgepumpt.
Das Reinigungsverfahren steht in Beziehung zur Menge an Rückstand 30, der in der Kammer 10 anwesend ist, und ist üblicherweise im Be­ reich von 15 bis 30 Minuten. Die Reinigungsintervalle werden ausge­ richtet entsprechend den jeweiligen Teilcheneigenschaften, die dem Fachmann mit durchschnittlichen Kenntnissen bekannt sind.
In der bevorzugten Ausführungsform wird ein Zweistufen-Verfahren verwendet. Der erste Schritt besteht aus einem Niederdruck-Schritt mit einem Druckbereich von 100 bis 500 mTorr. Dieser Schritt wird ver­ wendet zum Konzentrieren der Reinigung auf die mit Energie beauf­ schlagte Elektrode (d. h., die Kathode 13).
Der zweite Verfahrensschritt besteht aus einem Hochdruck-Schritt zum Bewirken einer wirksamen Reinigung der geerdeten Reaktor-Bestandteile wie der Seitenwände und der Anode. Der bevorzugte Bereich ist 500 mTorr bis 10 Torr, wobei 1000 mTorr der bevorzugte Druck ist.
Die anderen Verfahrens-Parameter sind im wesentlichen die gleichen für den Niederdruck- und Hochdruck-Schritt. Die Ozon-Strömung ist übli­ cherweise im Bereich von 50 bis 500 sccm (Standardkubikzentimeter pro Minute), wobei der Bereich basiert auf der gängigen Verfügbarkeit von Ozon von einem Ozon-Generator. Die üblicherweise bevorzugte Konzen­ tration von eintretendem Ozon ist näherungsweise 1 bis 4 Molekülge­ wichtsprozent der Gesamtgasströmung durch den Reaktor 10. Natürlich ist für das Verfahren die höchste Konzentration an Ozon, die verfügbar ist, erwünscht. Es wurde gefunden, daß der Zusatz einer Fluor enthal­ tenden Spezies wie NF3 oder CF4 die Entfernung der Rückstände auf Kohlenstoffbasis steigert. Der bevorzugte Bereich solcher Zusätze auf Fluorbasis ist 10 bis 100 sccm. Die bevorzugte Energie für das System ist im Bereich von 1 bis 5 Watt/cm2 bei einer Radiofrequenz(RF) von 13,56 MHz.
Bei beiden Ausführungsformen wird Ozongas in die Kammer 10 in Form eines Plasmas gepumpt, worauf der elementare Sauerstoff mit den Fluorpolymer-Rückständen reagiert. Die Endprodukte werden dann aus der Kammer 10 mittels einer mechanischen Pumpvorrichtung 29 eva­ kuiert. Fig. 2 zeigt die Erscheinungsweise der Kammer 10 nachdem der Rückstand 30 entfernt wurde.
Die chemischen Reaktionen sind wie unten beschrieben:
(A) O2 → O + O
(B) O3 → O2 + O
(C) O + Polymer auf Kohlenstoffbasis → CO + CO2 + andere flüchtige Endprodukte
Reaktion (A) zeigt die Spaltung eines Sauerstoffmoleküls in zwei ge­ trennte Sauerstoffatome (auch als elementarer Sauerstoff bezeichnet). Sauerstoffatome sind hoch reaktiv, und es ist schwierig, die Sauerstoff­ atome vom Rekombinieren abzuhalten. Die Menge an erzeugtem ele­ mentaren Sauerstoff ist proportional zur Ionisierungs-Wirksamkeit der Plasmaquelle. Für die meisten der typischen Ätzwerkzeuge ist die Ioni­ sierungs-Wirksamkeit in der Größenordnung von 0,01% bis 0, 1%.
Die Reaktion (B) zeigt die Spaltung eines Ozonmoleküls in ein Molekül Sauerstoff und ein freies Sauerstoffradikal. In Gegenwart ausreichender Wärme zerfällt Ozon unter Bildung des Sauerstoffmoleküls und des freien Radikals. Der Zerfall des Ozons konnte durch Plasma-Anregung betrieben werden. Der tatsächliche Gewichtsprozentsatz an Ozon, das in den Reaktor über einen Ozon-Generator injiziert wird, ist näherungs­ weise 4,2%.
Reaktion (C) zeigt die chemische Reaktion, die in dem Reinigungsver­ fahren zwischen dem freien Sauerstoffradikal und einem Polymer auf Kohlenstoffbasis auftritt.
Alle hierin zitierten US-Patente und Patentanmeldungen werden hiermit durch Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt vorliegender Anmeldung gemacht, als ob sie in ihrer Gesamtheit dargelegt worden wären.
Obgleich das besondere Verfahren für Fluorkohlenstoff-Polymer-Rück­ stände, wie es hierin detailliert gezeigt und offenbart ist, voll und ganz fähig ist, die vorstehend angeführten Ziele und Vorteile zu erhalten, versteht es sich, daß es lediglich illustrativ für die gegenwärtig bevor­ zugten Ausführungsformen der Erfindung ist, und daß im bezug auf die hierin gezeigten Details der Konstruktion oder des Baus keine anderen Beschränkungen beabsichtigt sind als in den anhängenden Ansprüchen beschrieben. Zum Beispiel ist es für jemanden mit durchschnittlichen Kenntnissen auf diesem Gebiet selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung, obwohl die bevorzugte Ausführungsform mit Beziehung auf Fluorkohlenstoffe in einer Siliziumdioxid-Ätzung beschrieben ist, auf andere Kammern angewendet werden könnte, in denen Polymerrückstän­ de auf Kohlenstoffbasis abgeschieden sind wie Chlorkohlenstoff-Rück­ stände. Weiterhin gibt es einen breiten Spielraum hinsichtlich der struk­ turellen Elemente, die in dem Plasmareaktor verwendet werden können.

Claims (10)

1. Verfahren zum Entfernen von Rückständen (30) auf Kohlenstoff­ basis von Oberflächen (11, 12, 13, 17) eines Reaktors (10), das die folgenden Schritte aufweist:
  • - Anregen eines Plasmas in dem Reaktor (10), das Ozongas enthält, wobei das Ozon reaktiv ist mit den Rückständen (30) auf Kohlenstoffbasis auf den Oberflächen (11, 12,13, 17) des Reaktors (10), wodurch flüchtige Endprodukte gebildet werden; und
  • - Evakuieren der flüchtigen Endprodukte aus dem Reaktor (10).
2. Verfahren zum Reinigen eines Reaktors (10), das die Schritte auf­ weist:
  • - Anregen eines ersten Plasmas, das Ozon enthält, in einem Reaktor (10) zum Reinigen des Reaktors (10), wodurch ein strömbarer Rückstand erzeugt wird;
  • - Erzeugen eines zweiten Plasmas durch Erhöhen des Drucks auf das erste Plasma, zum weiteren Reinigen der Reaktionskammer (10), wodurch mehr des strömbaren Rückstands erzeugt wird; und
  • - Entfernen des strömbaren Rückstands aus der Reaktionskammer (10).
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das erste Plasma einen Druck von etwa 100 bis 500 mTorr hat mit einer Energiedichte von etwa 1 bis 5 W/cm2, und bei dem das zweite Plasma einen Druck von etwa 500 mTorr bis 10 Torr hat mit einer Energiedichte von etwa 1 bis 5 W/cm2.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Reaktor (10) eine Energieelektrode (17) und geerdete Bestandteile (11, 12, 13) hat, das erste Plasma zum Reinigen der Energieelektrode (17) und die zweite Atmosphäre zum Reinigen der geerdeten Bestandteile (11, 12, 13) ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem das Ozon bei etwa 50 bis 500 sccm in den Reaktor (10) zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem das Ozon aus Sauerstoff erzeugt wird, wobei das Ozon etwa 1 bis 4 Molekülge­ wichtsprozent der Gesamtgasströmung durch den Reaktor (10) auf­ weist, unter Bildung von O2 und O ionisiert, wobei das O mit dem Polymer auf Kohlenstoffbasis unter Bildung des flüchtigen Rück­ stands reagiert.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei dem der Rück­ stand (30) auf Kohlenstoffbasis ein Fluorkohlenstoff-Rückstand ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, weiterhin auf­ weisend weiteres Verstärken des Plasmas mit Fluor enthaltendem Gas.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Fluor enthaltende Gas mit etwa 10 bis 100 sccm in den Reaktor geströmt wird, wobei das Fluor enthaltende Gas mindestens eine der Komponenten NF3 und CF4 enthält.
10. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, bei dem das Plasma durch ein elektrisches RF-Feld angeregt wird, das etwa 13,56 MHz hat, wobei das Plasma für etwa 15 bis 30 Minuten erzeugt wird.
DE4319683A 1992-06-15 1993-06-14 Entfernen von Polymerrückständen auf Kohlenstoffbasis mit Ozon, die bei der Reinigung von Plasmareaktoren von Nutzen ist Ceased DE4319683A1 (de)

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