Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Plasmareaktions
vorrichtung, die eine gleichförmige Plasmaerzeugung über einer
Hauptoberfläche eines Wafers erlaubt.
In der jüngeren Vergangenheit wurde bei der Herstellung einer
Halbleitervorrichtung wie eines IC eine Behandlung wie Ätzen nach
der Ausbildung einer Dünnschicht auf einem Halbleitersubstrat (im
folgenden als ein Wafer bezeichnet) ausgeführt. Ein Beispiel einer
solchen Wafer-Behandlungsvorrichtung ist eine Plasmareaktionsvor
richtung, die ein durch Gasentladung erzeugtes Plasma verwendet,
wie sie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 61-86942
beschrieben ist, auf deren Offenbarung die Beschreibung der
Fig. 6 bis 8 basiert.
Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine Plasmare
aktionsvorrichtung zur Verwendung bei RIE (reaktives Ionenätzen)
und ähnlichem zeigt.
Wie Fig. 6 zeigt, ist eine Kathode 3, die als eine planare Elek
trode dient, an einer Bodenoberfläche, z. B., eines hohlen säulen
formigen Reaktionsbehälters 1 über ein Isolationsmaterial 2 fi
xiert. Eine Anode 4, die als die andere planare Elektrode dient,
ist an einer Dachoberfläche des Reaktionsbehälters 1 fixiert. Die
Kathode 3 und die Anode 4 sind in dem Reaktionsbehälter 1 einander
gegenüberliegend vorgesehen, und ein Wafer 5 ist auf der Kathode 3
angeordnet.
Eine Mehrzahl von Gasauslässen 6a und Gasdurchgängen 6b sind auf
bzw. in der Anode 4 ausgebildet. Der Gasdurchgang 6b ist mit einem
Gaseinlaß 7 verbunden, der an der Dachoberfläche des Reaktionsbe
hälters 1 ausgebildet ist, und dementsprechend wird Gas in den Re
aktionsbehälter 1 durch den Gaseinlaß 7, den
Gasdurchgang 6b und den Gasauslaß 6a eingeführt. Dann wird das Gas
durch einen Auslaß 8, der an dem Boden des Reaktionsbehäl
ters 1 ausgebildet ist, ausgelassen bzw. abgesaugt.
Währenddessen ist ein Ende einer Hochfrequenz-Stromversorgung 9
mit der Kathode 3 über eine Impedanz-Anpaßvorrichtung 10 verbun
den. Das andere Ende der Hochfrequenz-Stromversorgung 9 ist mit
Masse- verbunden, und dabei wird ein HF-elektrisches Feld (Vektor
E) zwischen der Kathode 3 und der Anode 4 durch die Hochfrequenz-
Stromversorgung 9 gebildet.
Ein Satz von magnetischen Spiegelfeld-Erzeugungsspulenpaaren 11a,
11b sind an einander gegenüberliegenden Positionen außerhalb des
Reaktionsbehälters 1 vorgesehen. Bezüglich dieser magnetischen
Spiegelfeld-Erzeugungsspulen 11a, 11b ist eine Mehrzahl von magne
tischen Spiegelfeld-Erzeugungsspulen jeweils in einem gewissen
Winkel relativ zu einer zentralen Achse des Reaktionsbehälters 1
vorgesehen, um die Rotation eines magnetischen Spiegelfeldes elek
trisch zu steuern. Folglich werden die magnetischen Spiegelfeld-
Erzeugungsspulen 11a, 11b in Drehung geschaltet und leitend ge
macht, und derart wird das magnetische Spiegelfeld (Vektor B) in
einer gewissen Richtung mit einer gewissen Periode rotiert. Derart
wird eine Fehlverteilung oder ungleichmäßige Verteilung des Plas
mas, die auf der Drift (im folgenden als "E × B Drift" bezeichnet)
basiert, die von der Lorentzkraft des erzeugten Plasmas aufgrund
einer orthogonalen Überlagerung des magnetischen Spiegelfeldes und
des HF elektrischen Feldes herrührt, verhindert.
Bei Verwendung der Vorrichtung mit der oben beschriebenen Struktur
wird, wenn eine Dünnschicht auf einem Wafer 5 ausgebildet wird
oder ein Ätzen ausgeführt wird, nachdem das unnötige Gas in dem
Reaktionsbehälter 1 durch den Auslaß 8 genügend abgesaugt ist, ein
reaktives Gas in den Reaktionsbehälter durch den Gaseinlaß 7, den
Gasdurchgang 6b und den Gasauslaß 6a eingebracht. Dann wird ein
Teil des reaktiven Gases vom Auslaß 8 abgesaugt, wodurch der in
terne Druck des Reaktionsbehälters 1 auf einem vorbestimmten Wert
gehalten wird.
Als nächstes wird eine HF-Leistung mit 93,6MHz der Kathode 3 durch
die Hochfrequenz-Stromversorgung 9 zugeführt. Derart wird ein ma
gnetisches Spiegelfeld erzeugt, da die Spulen 11a, 11b leitend ge
macht werden. Im Reaktionsbehälter 1 wird eine Magnetronentladung
(Magnetfeldröhrenentladung) durch das zwischen der Kathode 3 und
der Anode 4 erzeugte HF-elektrische Feld und durch das magnetische
Spiegelfeld mit magnetischen Kraftlinien, die das HF-elektrische
Feld orthogonal kreuzen, verursacht, wodurch ein hochdichtes Gas
plasma erzeugt wird. Die Ausbildung der Dünnschicht oder das Ätzen
wird auf der Oberfläche des Wafers 5 durch diese-Reaktion des
hochdichten Gasplasmas ausgeführt.
Reaktives Gas, Druck und durch die Hochfrequenz-Stromversorgung 9
gelieferte Leistung, die hierbei verwendet werden, werden entspre
chend zu den Typen der Waferverarbeitung ausgewählt.
Die wie oben aufgebaute Plasmareaktionsvorrichtung weist die fol
genden Probleme auf.
Im Fall der wie oben aufgebauten Plasmareaktionsvorrichtung wird
eine Fehlverteilung des Plasmas aufgrund der Drift verhindert und
die Plasmadichte wird gleichförmig gemacht durch Rotation des ma
gnetischen Spiegelfeldes unter Verwendung einer Mehrzahl (zwei bis
drei) von Sätzen von magnetischen Spiegelfeld-Erzeugungsspulen.
Die Plasmadichte wird über einen langen Zeitraum gleichförmig ge
macht, jedoch, wie Fig. 7 zeigt, ist die Plasmaverteilung an
einem willkürlichen Zeitpunkt (siehe P in der Figur) nicht gleich
förmig, so daß Verteilungen des Potentials des Wafers 5, wie in
Fig. 8 da gestellt, vorhanden sind, wenn sie an einem entlang der Linie A′-A
aus Fig. 7 genommenen Querschnitt betrachtet werden.
In Fig. 8 zeigt die Abszisse einen Abstand vom Zentrum des Wafers
5 und die Ordinate einen absoluten Wert des Potentials V, wobei
die strichpunktierte Linie ein Potential des Wafers 5 darstellt,
die durchgezogene Linie ein lokales Potential auf der Oberfläche
des Wafers 5 darstellt, und X einen Meßpunkt bezeichnet. Wie aus
der Fig. 8 zu sehen ist, wird das Potential V kleiner als das Po
tential des Wafers 5, wo die Plasmadichte hoch ist, während es hö
her als das Potential des Wafers 5 ist, wo die Plasmadichte nied
rig ist. Der Grund dafür wird im folgenden beschrieben, wobei die
folgende Beziehung gilt:
P = V·I
P: Leistungsdichte (W/cm²)
V: Spannung (V)
I: Stromdichte (A/cm²).
Genauer verringert sich, da P konstant gesetzt ist, das Potential
V in umgekehrter Proportion zu dem Anstieg der Plasmadichte I,
während die Spannung V in umgekehrter Proportion zur Verminderung
der Plasmadichte ansteigt.
Darum wird, wenn zu einer willkürlichen Zeit eine Differenz zwi
schen dem Potential des Wafers 5 und dem lokalen Potential auf der
Oberfläche des Wafers 5 erzeugt wird, ein elektrisches Feld auf
eine Halbleitervorrichtung, die auf der Oberfläche des Wafers 5
ausgebildet ist, angewendet bzw. einwirken gelassen, und als Folge
wird eine Isolierschicht, speziell eine dünne Isolierschicht, be
schädigt.
Aus Vaccuum Band 42, 1991, S. 35-37 ist eine
Plasmareaktionsvorrichtung mit einer Vorrichtung zur Erzeugung
eines elektrischen Feldes, die eine Kathode und eine um die Kathode
derart angeordnete Anode aufweist, daß die Anode und die Kathode
auf einer gemeinsamen Achse ausgerichtet sind, zur Erzeugung eines
elektrischen Feldes zwischen der Anode und der Kathode, einer
Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, die drei
ringförmige Permanentmagnete und ein Eisenpolstück aufweist, wobei
zwei der Magnete (Haupt- und Rückmagnet), deren Pole einander
entgegengesetzt ausgerichtet sind und die das in den Hauptmagneten
eingesetzte Polstück magnetisieren, auf der gemeinsamen Achse in
der Kathode angeordnet sind, zur Erzeugung eines magnetischen
Feldes entlang der gemeinsamen Achse der Anode und der Kathode und
einem Substrathalter zum Anordnen eines Substrats senkrecht zu der
gemeinsamen Achse der Anode und der Kathode bekannt.
Aus IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 27, Nr. 11, 1985,
S. 6796-6797 ist eine Plasmareaktionsvorrichtung
(Sputtervorrichtung) mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines
elektrischen Feldes, die eine zylindrischen Anode und eine
stabförmige Kathode, deren zentrale Achse auf der zentralen Achse
der zylindrischen Anode angeordnet ist, aufweist, zur Erzeugung
eines elektrischen Feldes zwischen der stabförmigen Kathode und der
zylindrischen Anode und einer Vorrichtung zur Erzeugung eines
magnetischen Feldes, das eine Komponente B1 in der zu der Achse der
zylindrischen Anode parallelen Richtung und eine Wechselkomponente
in der zu der Achse der zylindrischen Anode senkrechten
Schnittebene aufweist, wobei die Magnetfeldkomponente B2 durch
einen Strom I entlang der Achse der Kathode erzeugt wird, da der
Strom I ein Wechselstrom ist, bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Plasmareaktions
vorrichtung anzugeben, die ein hochdichtes Plasma durch Magnetron
entladung aufrechterhalten kann und eine ausgezeichnete Plasma
gleichförmigkeit über eine Hauptoberfläche eines Wafers aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Plasmareaktionsvorrichtung
nach Anspruch 1.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn
zeichnet.
Bei der Plasmaerzeugungsvorrichtung nach der Erfindung wird ein elektrisches Feld ra
dial zwischen dem Reaktionsbehälter und der stabförmigen Elektrode
erzeugt, ein magnetisches Feld wird orthogonal zu dem elektrischen
Feld ausgebildet, und ein Wafer wird senkrecht zu dem magneti
schen Feld angeordnet.
Dementsprechend liegt die Richtung der E × B Drift des Plasmas,
das durch die Magnetronentladung erzeugt wird, auf einem willkür
lichen Punkt auf dem Wafer in der tangentialen Richtung eines
Kreises, dessen Mittelpunkt die stangenförmige Elektrode ist, und
parallel zu der Waferoberfläche, wodurch die Fehlverteilung des
Plasmas in der radialen Richtung des Wafers beschränkt ist, wo
durch das Plasma über der Hauptoberfläche des Wafers gleichförmig
gemacht wird.
Bei der Plasmareaktionsvorrichtung nach einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung erzeugt die
Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes ein elektri
sches Wechselfeld durch Anlegen einer Wechselspannung zwischen den
Reaktionsbehälter und die stabförmige Elektrode, und die Vorrich
tung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes erzeugt ein magneti
sches Wechselfeld unter Verwendung einer Wechselstrom-Stromversor
gung zum Einstellen einer Phasendifferenz zwischen dem elektri
schen Wechselfeld und dem magnetischen Wechselfeld auf 0° oder
180°.
Bei der Plasmareaktionsvorrichtung kann die E × B Drift immer in
einer gewissen Richtung gehalten werden, und die Energie von Ionen
und Elektronen in dem Plasma kann erhöht werden, da die Phasendif
ferenz zwischen dem elektrischen Wechselfeld und dem magnetischen
Wechselfeld auf 0° oder 180° eingestellt ist.
Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren
von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Plasmareaktionsvorrichtung ent
sprechend einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 eine Schnittansicht, die entlang der Linie X-X′ in Fig. 1
genommen ist;
Fig. 3 Potentiale eines Wafers und einer Waferoberfläche, wenn
die Plasmareaktionsvorrichtung entsprechend der ersten
Ausführungsform verwendet wird;
Fig. 4 eine Schnittansicht einer Plasmareaktionsvorrichtung ent
sprechend einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 5 eine schematische Ansicht, die ein Merkmal der Plasmare
aktionsvorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungs
form zeigt;
Fig. 6 eine Schnittansicht einer Plasmareaktionsvorrichtung;
Fig. 7 eine Draufsicht, die Probleme der Plasmareaktionsvorrich
tung aus Fig. 6 zeigt; und
Fig. 8 Potentiale eines Wafers und einer Waferoberfläche an
einem Querschnitt, der entlang der Linie A′-A in Fig. 7
genommen ist.
Eine erste Ausführungsform wird beschrieben.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Plasmareaktionsvorrichtung
entsprechend der Ausführungsform. Wie die Figur zeigt, weist die
Plasmareaktionsvorrichtung einen zylindrischen Reaktionsbehälter
1 mit einem vorbestimmten Radius, der als
eine erste Elektrode dient, auf. Eine stabförmige Elektrode 13,
die als eine zweite Elektrode dient, ist auf der zentralen Achse
des Reaktionsbehälters 1 zur Erzeugung eines elektrischen Feldes
(E) radial zwischen der stabförmigen Elektrode 13 und dem Reakti
onsbehälter mit der zentralen Achse vorgesehen. Ein Gaseinlaß 7
ist an der oberen Seite des Reaktionsbehälters 1 zum Einbringen
eines reaktiven Gases vorgesehen.
Eine Solenoidspule 12 ist außerhalb des Reaktionsbehälters 1 zur
Erzeugung eines magnetischen Feldes (B) parallel zu der
Erstreckungsrichtung des Reaktionsbehälters 1 innerhalb der ersten
Elektrode vorgesehen.
Ein Probentisch (Werkstücktisch) 3 ist auf einem Isoliermaterial 2
an dem niedrigeren Abschnitt des Reaktionsbehälters 1 vorgesehen,
und ein Wafer 5 ist auf dem Probentisch 3 angeordnet. Ein Ende
einer Hochfrequenz-Stromversorgung 9 ist mit dem Probentisch 3
über eine Impedanzanpaßvorrichtung 10 verbunden, und das andere
Ende der Hochfrequenz-Stromversorgung 9 ist mit Masse verbunden.
Ein Auslaß 8 ist an dem niedrigeren Abschnitt des Reakti
onsbehälters 1 vorgesehen.
Wenn eine Dünnschicht auf dem Wafer 5 ausgebildet wird oder Ätzen
ausgeführt wird, wird bei der Plasmareaktionsvorrichtung mit der
obigen Struktur unnötiges Gas innerhalb des Reaktionsbehälters 1
ausreichend durch den Auslaß 8 ausgelassen bzw. abgesaugt. Dann
wird reaktives Gas in den Reaktionsbehälter 1 durch den Gaseinlaß
7 eingebracht, und zur selben Zeit wird ein Teil desselben durch
den Auslaß 8 abgeführt, um den internen Druck des Reaktionsbehäl
ters 1 auf einem vorbestimmten Wert zu halten. Dann wird ein elek
trisches Feld (E) zwischen den Elektroden durch Verbinden einer
Gleichstrom-Stromversorgung 14 zwischen den Reaktionsbehälter 1
und die stabförmige Elektrode 13 erzeugt. Außerdem wird ein magne
tisches Feld (B) parallel zu der Richtung der Erstreckung des Re
aktionsbehälters 1 innerhalb des Reaktionsbehälters 1 durch die
Solenoidspule 12 erzeugt.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie X-X′ in Fig.
1 genommen ist.
Wie die Figur zeigt, wird das radiale elektrische Feld E, das in
der Figur durch Pfeile gezeigt ist, zwischen dem Reaktionsbehälter
1 und der stabförmigen Elektrode 13 erzeugt, wie die Spannung von
der Gleichstrom-Stromversorgung 14 an die stabförmige Elektrode
13, die auf der zentralen Achse des Reaktionsbehälters 1 angeord
net ist, angelegt wird.
Währenddessen wird das magnetische Feld B durch die Solenoidspule
12 in der Richtung senkrecht zu dem Querschnitt aus Fig. 2 er
zeugt.
Dementsprechend sind das radiale elektrische Feld E und das magne
tische Feld B mit der axialen Richtung senkrecht zueinander, so
daß das reaktive Gas, das in den Reaktionsbehälter 1 durch den
Gaseinlaß 7 eingebracht wird, durch die Magnetronentladung
(Magnetfeldröhrenentladung) in Plasma umgewandelt wird.
Obwohl das hochdichte Plasma, das durch die Magnetronentladung er
zeugt wird, in der Richtung von E × B driftet, liegt die Drift in
der tangentialen Richtung, die durch einen Pfeil E × B in Fig. 2
gezeigt ist, auf einem Kreis dessen Mittelpunkt die stabförmige
Elektrode ist. In anderen Worten, die Drift liegt offensichtlich
in der Umfangsrichtung der stabförmigen Elektrode. Darum rotiert
offensichtlich das zwischen der stabförmigen Elektrode 13
und dem Reaktionsbehälter 1 erzeugte Plasma gleichförmig in der
Umfangsrichtung.
Dementsprechend verursacht das durch die Magnetronentladung er
zeugte Plasma keine Fehlverteilung, so daß die Dichte des Plasmas
auf dem Wafer 5 zu jeder Zeit gleichförmig ist.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird das Potential des Wafers und das Po
tential auf der Waferoberfläche gleichförmig, so daß eine Diffe
renz zwischen dem Waferpotential und dem lokalen Potential auf der
Waferoberfläche nicht verursacht wird, wie das vorher der Fall
war. Dadurch kann eine Beschädigung der Vorrichtung, die auf dem Wafer
ausgebildet ist, verhindert werden.
In Fig. 3 bezeichnet die Abszisse den Abstand von dem Zentrum des
Wafers 5, die Ordinate bezeichnet den absoluten Wert des Potenti
als V, die strichpunktierte Linie bezeichnet ein Potential des Wa
fers, und x bezeichnet ein Potential auf der Waferoberfläche an
einem Potentialmeßpunkt.
Eine zweite Ausführungsform wird beschrieben. Fig. 4 ist eine
longitudinale Schnittansicht der Plasmareaktionsvorrichtung ent
sprechend dieser Ausführungsform.
Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der Plasma
reaktionsvorrichtung der oben beschriebenen ersten Ausführungs
form, die in Fig. 1 gezeigt ist, dadurch, daß eine Wechselstrom-
Stromversorgung 15 zwischen den Reaktionsbehälter und die stabför
mige Elektrode verbunden ist, und eine Wechselstrom-Stromversor
gung 16 mit der Solenoidspule 12 verbunden ist. Zusätzlich ist
eine Quarzabdeckung 17 innerhalb des Reaktionsbehälters 1 und auf
der Seitenwand der stabförmigen Elektrode zur Verhinderung einer
von den Elektroden ausgehenden Metallverunreinigung vorgesehen.
Die vorliegende Ausführungsform weist in den anderen Aspekten die
selbe Struktur wie die Plasmareaktionsvorrichtung der ersten
Ausführungsform auf.
Wenn die Plasmareaktionsvorrichtung der ersten Ausführungsform
über einen langen Zeitraum benutzt wird, haften Reaktionsprodukte,
die aus isolierenden Materialien bestehen, die von Produkten re
sultieren, die ausgebildet werden, wenn das Substrat geätzt wird
oder ein Polymer durch Rekombination von zerlegtem Gas hergestellt
wird, an dem inneren Wandabschnitt der ersten Elektrode an, und
als Folge werden der innere Wandabschnitt der ersten Elektrode 1
und die Seitenwand der zweiten Elektrode 13 mit den isolierenden
Materialien bedeckt, wodurch die Verwendung des
elektrischen Gleichfeldes verhindert wird. Die
Plasmareaktionsvorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungs
form löst diese Probleme.
Bei der zweiten Ausführungsform wird ein
elektrisches Wechselfeld (E) und ein
magnetisches Wechselfeld (B) wie oben beschrie
ben erzeugt. Derart wird, wie in Fig. 5 gezeigt, selbst falls iso
lierende Materialien auf dem inneren Wandabschnitt des Reaktions
behälter 1 und der Seitenwand der stabförmigen Elektrode 13 anhaf
ten, wobei diese Materialien im wesentlichen Kondensatoren C1 bzw.
C2 bilden und die Phase periodisch invertiert wird, ein Strom
fortlaufend zugeführt, und das elektrische Wechselfeld und das
magnetische Wechselfeld können ohne Unterbrechung erzeugt werden.
Falls die Frequenzen der Wechselstrom-Stromversorgung 15 und der
Wechselstrom-Stromversorgung 16 miteinander gleichgemacht werden
und die Phasendifferenz zwischen dem elektrischen Wechselfeld E
und dem magnetischen Wechselfeld B auf 0° oder 180° eingestellt
wird, kann die E × B Drift in einer bestimmten bzw. gewissen Rich
tung fixiert werden. Als Folge kann ein hochdichtes Plasma erhal
ten werden, da die Energie der Ionen und Elektronen in dem Plasma
erhöht werden kann.
Bei der vorliegenden Ausführungsform tritt wie bei der ersten Aus
führungsform eine Fehlverteilung des Plasmas nicht auf, wie in
Fig. 3 gezeigt, so daß die Plasmadichte zu jeder Zeit gleichförmig
ist, wodurch das Potential des Wafers und das Oberflächenpotential
des Wafers gleichförmig werden.
Obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform eine 13,56MHz Strom
versorgung als Wechselstrom-Stromversorgungen 15 und 16 verwendet
wurde, können jedwede Frequenzen, die in den Bereich von ungefähr
10kHz bis ungefähr 100MHz fallen, wobei Plasma im Druckbereich von
1 bis 1000mTorr erzeugt werden kann, das zum Ätzen verwendbar ist,
verwendet werden.