DE60033312T2

DE60033312T2 - Plasmabehandlungsvorrichtung und -verfahren

Info

Publication number: DE60033312T2
Application number: DE60033312T
Authority: DE
Inventors: D. Andrew Pleasanton BAILEY; M. Alan Ben Lomond SCHOEPP; J. David San Jose HEMKER; H. Mark Piedmont WILCOXSON; Andras Thousand Oaks KUTHI
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 1999-11-15
Filing date: 2000-11-14
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2020-11-15
Also published as: TW478297B; CN1421043A; US6341574B1; CN1253918C; AU1918801A; WO2001037315A1; KR100768019B1; DE60033312D1; EP1230666A1; JP2003514389A; KR20020060969A; ATE353472T1; JP4704645B2; EP1230666B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Substraten, wie z.B. Halbleitersubstraten zur Verwendung bei der IC-Herstellung, oder Platten (beispielsweise aus Glas, Kunststoff oder dergleichen) zur Verwendung für Flachbildschirmanwendungen. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung verbesserte Plasmabearbeitungssysteme, die zur Bearbeitung von Substraten mit einem hohen Grand an Bearbeitungsgenauigkeit über die Substratoberfläche geeignet sind.
Plasmabearbeitungssysteme existieren bereits seit einiger Zeit. Im Lauf der Jahre wurden Plasmabearbeitungssysteme vorgestellt, die induktiv gekoppelte Plasmaquellen, Elektronencyclotronresonanzquellen (ECR-Quellen), kapazitive Quellen und dergleichen nutzen und in unterschiedlichem Maße zur Bearbeitung von Halbleitersubstraten und Bildschirmen verwendet werden.
Bei einer typischen Plasmabearbeitungsanwendung werden die Bearbeitungsquellengase (wie die Ätzmittelgase oder die Abscheidungsquellengase) in die Kammer eingeleitet. Dann wird Energie zugeführt, um das Plasma in den Bearbeitungsquellengasen zu zünden. Nach dem Zünden des Plasmas wird es durch zusätzliche Energie aufrechterhalten, die auf unterschiedliche, allgemein bekannte Arten mit dem Plasma gekoppelt sein kann, beispielsweise kapazitiv, induktiv, über Mikrowellen oder dergleichen.
Das Plasma wird dann bei der Bearbeitungsaufgabe verwendet, beispielsweise um selektiv zu ätzen oder eine Schicht auf dem Substrat abzuscheiden. Plasmabearbeitungssysteme im allgemeinen sind in der Technik wohl bekannt, und in der Bezugsliteratur sind reichlich Details zu finden, die unterschiedliche im Handel erhältliche Systeme betreffen. Daher werden die allgemeinen Prinzipien, die für die Plasmabearbeitung gelten, der Kürze halber hier nicht in allen Einzelheiten besprochen.
Bei der Bearbeitung der Substrate ist einer der wesentlichen Parameter, deren Verbesserung Verfahrenstechniker anstreben, die Gleichmäßigkeit der Bearbeitung. In der Ätzumgebung ist die Gleichmäßigkeit des Ätzens beispielsweise eine wesentliche Bestimmungsgröße für den Ertrag, d.h. ein hohes Niveau an Gleichmäßigkeit beim Ätzen trägt zu einer Verbesserung des Prozentsatzes an fehlerfrei bearbeiteten Substraten bei, was geringere Kosten für den Hersteller zur Folge hat.
Im hier verwendeten Sinne bezieht sich die Gleichmäßigkeit des Ätzens auf die Gleichmäßigkeit des gesamten Ätzprozesses an dem Substrat einschließlich der Ätzrate, der Mikrobelastung, der Maskenselektivität, der Unterschichtselektivität und der Steuerung kritischer Abmessungen, sowie auf die Profilcharakteristika, wie z.B. Seitenwandwinkel und Rauhigkeit. Erfolgt das Ätzen in hohem Maße gleichmäßig, so ist beispielsweise zu erwarten, daß die Ätzraten an unterschiedlichen Punkten auf dem Substrat dazu tendieren, im wesentlichen übereinzustimmen.
In diesem Fall ist es weniger wahrscheinlich, daß ein Bereich des Substrats übermäßig überätzt ist, während andere Bereiche unzureichend geätzt bleiben. Zudem können bei vielen Anwendungen diese stringenten Bearbeitungsanforderungen in unterschiedlichen Stadien während der Substratbearbeitung widersprüchlich sein.
Häufig liegt dies am Vorhandensein mehrerer Schichten, die unter drastisch unterschiedlichen Plasmabearbeitungsanforderungen bearbeitet werden müssen. So können beispielsweise während der Bearbeitung eines einzigen Substrats drastische Veränderungen des Gasdrucks sowie der Plasmadichte und -chemie erforderlich sein, um die gewünschte Bearbeitungsleistung zu erzielen.
Zusätzlich zur Gleichmäßigkeit der Bearbeitung gibt es weitere Themen, die für Verfahrenstechniker von Belang sind. Zu den für Hersteller wesentlichen Themen gehören die Kosten des Eigentums an einem Bearbeitungswerkzeug, die beispielsweise die Kosten für den Erwerb und die Wartung des Systems, die zum Aufrechterhalten eines akzeptablen Bearbeitungsleistungsniveaus erforderliche Häufigkeit der Reinigung der Kammer sowie die Lebensdauer der Bauteile des Systems und dergleichen umfassen.
Daher ist ein wünschenswerter Ätzprozeß oftmals einer, der auf eine Weise den richtigen Ausgleich zwischen den unterschiedlichen Eigentumskosten und Prozeßparametern findet, die zu einem Prozeß mit höherer Qualität bei geringeren Kosten führt. Da die Merkmale auf dem Substrat kleiner werden und der Prozeß anspruchsvoller wird (beispielsweise geringere kritische Abmessungen, höhere Aspektverhältnisse, rascherer Durchsatz und dergleichen), sind Verfahrenstechniker ferner ständig auf der Suche nach neuen Verfahren und Vorrichtungen zum Erzielen von Bearbeitungsergebnissen von höherer Qualität bei geringeren Kosten.
In der US-5 810 932 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma offenbart, die eine aus einem dielektrischen Substrat gefertigte, zylindrische Vakuumkammer umfaßt, die nur an der Unterseite offen ist. Eine Antennenspule mit einer einzigen Windung zum Empfangen der Hochfrequenzleistung in dieser ist um die Kammer herum angeordnet. Mindestens eine elektromagnetische Spule ist um die Antennenspule angeordnet.
In der GB-2 231 197 ist eine Elektrodenbaugruppe zur Verwendung in einer Plasmabearbeitungsvorrichtung mit einem Körper mit offenem Ende, der einen ersten Teil einer Vakuumkammer bildet, und einem Substrattisch im ersten Teil der Vakuumkammer offenbart. Die Elektrodenbaugruppe weist eine primäre Elektrode, ein dielektrisches Element, eine Isoliereinrichtung, eine Gaseinlasseinrichtung, eine Hochfrequenzgeneratoreinrichtung und eine primäre Magneteinrichtung auf. Im Betrieb werden in der Plasmakammer magnetische Feldlinien erzeugt, die sich in einer Kurve erstrecken.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Plasmabearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Substrats, das eine einzige Kammer in Form einer im wesentlichen azimutal symmetrischen Plasmabearbeitungskammer umfaßt, innerhalb der ein Plasma sowohl gezündet als auch für die Bearbeitung aufrechterhalten wird. Die Plasmabearbeitungskammer weist keine separate Plasmaerzeugungskammer auf. Die Plasmabearbeitungskammer weist ein oberes Ende und ein unteres Ende auf.
Das Plasmabearbeitungssystem umfaßt ein Kopplungsfenster, das an einem oberen Ende der Plasmabearbeitungskammer angeordnet ist, und eine Hochfrequenzantennenanordnung, die oberhalb einer vom Substrat gebildeten Ebene angeordnet ist, wenn das Substrat zur Bearbeitung innerhalb der Plasmabearbeitungskammer angeordnet ist. Das Plasmabearbeitungssystem umfaßt auch eine Elektromagnetanordnung, die oberhalb der Hochfrequenzantennenanordnung angeordnet ist.
Die Elektromagnetanordnung ist so konfiguriert, daß sich eine radiale Variation des steuerbaren Magnetfelds innerhalb der Plasmabearbeitungskammer in dem Bereich in der Nähe des Kopplungsfensters und der Antenne ergibt, wenn zumindest ein Gleichstrom an die Elektromagnetanordnung angelegt wird. Die radiale Variation ist wirksam, um die Gleichmäßigkeit der Bearbeitung über das Substrat zu beeinflussen.
Das Plasmabearbeitungssystem umfaßt zudem eine Gleichstromquelle, die an die Elektromagnetanordnung angeschlossen ist. Die Gleichstromquelle weist eine Steuerung auf, um das Magnetfeld durch Variieren der Stärke des mindestens einen Gleichstroms abzustimmen, um dadurch die radiale Variation in dem steuerbaren Magnetfeld innerhalb der Plasmabearbeitungskammer in dem Bereich in der Nähe der Antenne zu verändern, um die Gleichmäßigkeit der Bearbeitung über das Substrat zu verbessern.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nachstehend in der genauen Beschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit den folgenden Figuren genauer beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung ist beispielhaft und nicht einschränkend dargestellt. Es zeigen:
1 ein Plasmabearbeitungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das eine beispielhafte Hochfrequenzantennenanordnung und eine beispielhafte obere Magnetanordnung aufweist;
2a einige beispielhafte magnetische Feldlinien, die im Inneren der Kammer gemäß 1 erzeugt werden können, um eine radiale Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds in der Plasmabearbeitungskammer zu erleichtern;
2c eine typische Topographie der radialen Variation der Stärke des steuerbaren Magnetfelds;
2b eine beispielhafte Darstellung einer weiteren, radial divergenten Magnetfeldtopologie, die erzeugt werden kann, wenn die Gleichströme in den elektromagnetischen Spulen des Plasmabearbeitungssystems gemäß 1 manipuliert werden;
3a bis 3h verschiedene Hochfrequenzantennenanordnungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die bei dem erfindungsgemäßen Plasmabearbeitungssystem verwendet werden können;
4a bis 4f verschiedene Magnetfeldgeneratoranordnungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die bei dem erfindungsgemäßen Plasmabearbeitungssystem verwendet werden können;
5a bis 5c verschiedene magnetische Behälteranordnungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die bei dem erfindungsgemäßen Plasmabearbeitungssystem verwendet werden können;
6a bis 6c verschiedene Magnetisierungsmuster gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die bei dem erfindungsgemäßen Plasmabearbeitungssystem verwendet werden können; und
7 ein vereinfachtes Ablaufdiagramm, das die an der Steuerung der Gleichmäßigkeit des Prozesses durch Ändern der radialen Variation der Stärke und/oder Topologie des steuerbaren Magnetfelds beteiligten Schritte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf einige ihrer bevorzugten, in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen im einzelnen beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details ausgeführt, um ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Für Fachleute ist jedoch ersichtlich, daß allgemein bekannte Prozeßschritte und/oder -strukturen nicht im einzelnen beschrieben werden, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu vernebeln.
Die Erfindung betrifft gemäß einer Ausführungsform ein verbessertes Plasmabearbeitungssystem, das für einen hohen Grad an Steuerung der Gleichmäßigkeit der Bearbeitung geeignet ist. Das exemplarische verbesserte Plasmabearbeitungssystem umfaßt eine einzige Kammer in Form einer im wesentlichen azimutal symmetrischen Plasmabearbeitungskammer, d.h. jeder zur Wafer-Ebene parallele Querschnitt ist nahezu kreisförmig, wobei die Plasmabearbeitungskammer sowohl zur Erzeugung des Plasmas als auch zum Enthalten des Plasmas für die Bearbeitungsaufgabe verwendet wird. Das verbesserte Plasmabearbeitungssystem umfaßt ferner eine obere Magnetanordnung und eine Hochfrequenzantennenanordnung, die bei der Bearbeitung oberhalb der Ebene des Substrats angeordnet ist.
Die Hochfrequenzantennenanordnung und die obere Magnetanordnung sind so angeordnet, daß ausreichend weit über dem Substrat ein nicht trivialer Betrag an radialer Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds innerhalb der Plasmabearbeitungskammer vorliegt, so daß die induzierte Variation der Gleichmäßigkeit der Bearbeitung erzielt wird, während gleichzeitig sichergestellt wird, daß die Stärke des Magnetfelds am Substrat gering ist.
Bei der bevorzugten Ausführungsform erfolgt die radiale Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds primär in der Nähe des Bereichs der Energie kopplung in der Nähe des Hochfrequenzantennen-/Vakuum-Übergangs. Die radiale Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds ist so, daß sie die Gleichmäßigkeit der Bearbeitung auf nicht triviale Weise beeinflußt.
Durch gezieltes Konstruieren eines Plasmabearbeitungssystems zur Erzeugung eines Musters der radialen Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds, das die Gleichmäßigkeit der Bearbeitung beeinflussen kann, und anschließendes Schaffen einer Methode zum Variieren der radialen Variation wird eine Gleichmäßigkeitswahl geschaffen, die Verfahrenstechnikern das Einstellen des Prozesses zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit ermöglicht.
Bei einem Beispiel wird die vorstehend erwähnte radiale Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds erzeugt, indem die Hochfrequenzantennenanordnung nicht koplanar zur oberen Magnetanordnung vorgesehen wird. Alternativ oder zusätzlich kann die radiale Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds durch das Vorsehen einer oberen Magnetanordnung erzeugt werden, die zwei oder mehr elektromagnetische Spulen umfaßt, die relativ zueinander koplanar oder nicht koplanar sein können. An die mehreren elektromagnetischen Spulen können zum Induzieren der oben erwähnten radialen Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds Gleichströme mit entgegengesetzten Richtungen angelegt werden (müssen dies aber nicht).
Zur Erleichterung der Herstellung und für die Einfachheit des Betriebs ist die Plasmabearbeitungskammer eine einzige Kammer, nämlich eine im wesentlichen azimutal symmetrische Plasmabearbeitungskammer. Anders ausgedrückt, es besteht die erfindungsgemäße Plasmabearbeitungskammer vorzugsweise aus einer einzigen Kammer, die das Plasma für die Substratbearbeitung sowohl erzeugt als auch enthält, so daß sich eine separate Kammer zur Plasmaerzeugung erübrigt, und die auch im wesentlichen azimutal symmetrisch ist, um die Gleichmäßigkeit zu fördern. Beispielhaft und nicht einschränkend kann die Kammer die Form einer einzigen zylinderförmigen oder kuppelförmigen Kammer annehmen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform nimmt die Kammer die Form einer einzigen zylindrischen Kammer an, in der das Plasma sowohl gezündet als auch für die Bearbeitungsaufgabe gehalten wird, ohne daß die Verwendung einer separaten Kammer zur Plasmaerzeugung und einer separaten Kammer zur Bearbeitung erforderlich wäre.
Bei einem beispielhaften verbesserten Plasmabearbeitungssystem ist ferner eine magnetische Behälteranordnung vorgesehen, die so konfiguriert ist, daß sie eine erhebliche Anzahl der Plasmadichtegradienten zwingt, von dem Substrat entfernt aufzutreten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die magnetische Behälteranordnung um die Peripherie der Plasmabearbeitungskammer angeordnet. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, umfaßt die magnetische Behälteranordnung mehrere Permanentmagnete, die entweder innerhalb oder außerhalb der Kammerwände axial um die Peripherie der Plasmabearbeitungskammer ausgerichtet sind. Unabhängig von der spezifischen Implementierung ist die magnetische Behälteranordnung so konfiguriert, daß sie die Plasmadichtegradienten zwingt, sich vom Substrat entfernt und in der Nähe der Kammerwände zu konzentrieren.
Auf diese Weise wird die Gleichmäßigkeit weiter verbessert, wenn die Veränderung der Plasmadichtegradienten über das Substrat minimiert oder erheblich verringert wird. In Kombination mit der vorstehend erwähnten steuerbaren radialen Variation der Stärke und Topologie des Magnetfelds wird die Gleichmäßigkeit des Prozesses bei dem verbesserten Plasmabearbeitungssystem in sehr viel höherem Ausmaß verbessert, als dies bei vielen existierenden Plasmabearbeitungssystemen möglich ist.
Der magnetische Behälter tendiert dazu, die Plasmaverluste zur Wand zu reduzieren, daher kann das beispielhafte verbesserte Plasmabearbeitungssystem das von der Quelle erzeugte Plasma effizienter nutzen. Dementsprechend kann bei einer gegebenen Quellenleistung im allgemeinen eine höhere Dichte als bei typischen Bearbeitungssystemen erzielt werden, so daß wiederum ein größeres Bearbeitungsfenster geboten wird.
In vielen Fällen kann die gewünschte Bearbeitungsdichte leicht erzielt werden, doch bei dem beispielhaften verbesserten System ist zur Erzeugung der Dichte typischerweise weniger Quellenleistung erforderlich. Wie für Fachleute ersichtlich, führt die niedrigere Einstellung der Quellenleistung dazu, mögliche Wafer-Beschädigungsmechanismen zu verringern, und erweitert ferner das zulässige Bearbeitungsfenster des Systems.
Plasmaanalysen von Reaktoren (wie die auf einer durch Bohm-Verluste zu den Wänden ausgeglichenen Volumenionisierung basierenden) prognostizieren auch, daß die Elektronentemperatur für eine gegebene Leistungsabscheidung durch Verringern des Plasmaverlustbereichs verringert wird. Dies wird bei einer Ausführungsform durch den Einbau des magnetischen Behälters erreicht. Eine derartige Verringerung der Elektronentemperatur führt im allgemeinen zu niedrigeren Potentialen an dem und um den Wafer, die die bearbeiteten elektronischen Schaltungen beschädigen könnten. Die Eliminierung dieser grundsätzlichen Ursache plasmainduzierter Beschädigungen führt dazu, das Betriebsfenster des Werkzeugs erheblich zu verbessern.
Es wurde auch beobachtet, daß bei einigen Plasmaabscheidungschemikalien die Behälterfelder dazu führen, die Polymerabscheidung an den Wänden insgesamt zu reduzieren, so daß die aufgrund der vergrößerten Oberflächenbereiche, die in für zunehmend größere Wafer geeigneten Kammern benötigt werden, zu erwartenden Kammerreinigungszeiten reduziert werden.
Die durchschnittliche Dichte über den Wafer kann auch eine große Rolle bei der Bestimmung des resultierenden Ergebnisses des Prozesses spielen. Durch das Reduzieren des Plasmaverlusts zu den Wänden unter Verwendung des magnetischen Behälters ist der hier offenbarte Mechanismus zur Steuerung der Gleichmäßigkeit im wesentlichen unabhängig von der durchschnittlichen Dichte.
Zusätzlich wird die offenbarte Erfindung zur Steuerung der Gleichmäßigkeit durch ein sehr geringes Magnetfels am Wafer vereinfacht, was vorwiegend durch Anordnen der stärkeren Magnetfeldbereiche entfernt vom Wafer erreicht wird. Die Verwendung des magnetischen Behälters zur effizienten Nutzung der von der Quelle erzeugten Dichte ist daher sehr vorteilhaft.
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind unter Bezugnahme auf die Figuren und die folgende Besprechung leichter verständlich. 1 zeigt ein Plasmabearbeitungssystem 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer beispielhaften Hochfrequenzantennenanordnung 102 und einer beispielhaften oberen Magnetanordnung 104. Bei dem Beispiel gemäß 1 sind die Hochfrequenzantennenanordnung 102 und die obere Magnetanordnung 104 oberhalb einer Plasmabearbeitungskammer 106 angeordnet dargestellt.
Die Hochfrequenzantennenanordnung 102 ist mit einer Hochfrequenz-Energieversorgung 112 gekoppelt dargestellt, die die Hochfrequenzantennenanordnung 102 mit Hochfrequenzenergie mit einer Frequenz im Berech von etwa 0,4 MHz bis etwa 50 MHz versorgen kann. Vorzugsweise beträgt der Frequenzbereich etwa 1 MHz bis etwa 30 MHz. Bei der bevorzugten Ausführungsform für ein Ätzen liegt die der Hoch frequenzantennenanordnung 102 zugeführte Hochfrequenz vorzugsweise bei etwa 4 MHz.
Die obere Magnetanordnung 104 gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt zwei konzentrische Magnetspulen, die beide Gleichströme führen, die in entgegengesetzte Richtungen fließen. Die obere Magnetanordnung 104 ist mit einer verstellbaren Gleichstromquelle 114 gekoppelt dargestellt, die so konfiguriert ist, daß sie die Größe und/oder die Richtung des Gleichstroms (der Gleichströme) variiert, der bzw. die der elektromagnetischen Spule (den elektromagnetischen Spulen) der oberen Magnetanordnung 104 zugeführt wird bzw. werden, um die radiale Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds im Bereich 110 einzustellen, um für einen gegebenen Prozeß das gewünschte Niveau der Gleichmäßigkeit der Bearbeitung über die Substratoberfläche zu erzielen.
Ein Substrat 122 ist oberhalb einer Substrathalterungsanordnung 124 angeordnet dargestellt, die mit einem Vorspannungs-Hochfrequenz-Energieversorgungssystem 128 zum unabhängigen Steuern der Energien der geladenen Partikel gekoppelt ist, die auf den Wafer auftreffen. Die Vorspannungs-Hochfrequenz-Energieversorgung 128 kann Hochfrequenzenergie mit einem periodischen, aber nicht notwendigerweise sinusförmigen Frequenzbereich von etwa 0,3 MHz bis 50 MHz, noch bevorzugter etwa 2 MHz bis 30 MHz und vorzugsweise etwa 13,5 MHz zuführen.
Das Substrat 122 repräsentiert das zu bearbeitende Werkstück, das beispielsweise ein Halbleitersubstrat, an dem ein Ätzen; eine Abscheidung oder eine anderweitige Bearbeitung vorgenommen werden soll, oder eine Anzeigetafel repräsentieren kann, die zu einem Flachbildschirm verarbeitet werden soll. Bei einer Ausführungsform, die den magnetischen Behälter benutzt, wird das Substrat vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, deutlich innerhalb des untersten Abschnitts des magnetischen Behälters gehalten werden, um irgendwelche axialen Gradienten in dem Plasmabearbeitungsgemisch zu vermeiden, die in der Nähe des veränderlichen Niveaus der Einschließung auftreten können, die am Übergang von dem magnetischen Behälterabschnitt zu einem nicht magnetischen Abschnitt vorgesehen ist. Fertigungs- und Kostenaspekte können das tatsächliche Ausmaß des magnetischen Behälters und die relative Position des Substrats während der Bearbeitung bestimmen.
Wie in 1 gezeigt, hat die Plasmabearbeitungskammer 106 eine einfache, im allgemeinen zylindrische Form. Anders ausgedrückt, es besteht der Teil der Plasma bearbeitungskammer 106, der sowohl zum Zünden als auch zum Aufrechterhalten des Plasmas zur Bearbeitung des Substrats verwendet wird, vorzugsweise aus einer einzigen Kammer. Vorteilhafterweise besteht kein Bedarf an einer separaten Plasmaerzeugungskammer, die die Produzierbarkeit der Kammer kompliziert und zusätzliche, den Plasmatransport betreffende Probleme aufwirft (beispielsweise einen Mechanismus zum geeigneten Transportieren des erzeugten Plasmas aus der Plasmaerzeugungskammer und in die Bearbeitungskammer zur Bearbeitung des Substrats notwendig macht).
Ebenso sind die Kammerwände durch die im wesentlichen vertikalen Seitenwände der Kammer oberhalb des Substrats und die einfache Zylinderform leichter herzustellen und weniger anfällig für die Ablagerung partikelförmiger Stoffe, die schließlich abblättern und die Kammer kontaminieren können, und die Aufgabe der Reinigung der Kammer wird vereinfacht.
Es ist vorstellbar, daß auch eine gewisse Krümmung der Wände verwendet werden kann und weitere Vorteile hinsichtlich der Reinigung und Handhabung der Kammer bietet, obwohl sie die Konstruktion des Reaktors kompliziert. Der genaue Aufbau und die Form der einzigen Kammer in Form einer im wesentlichen azimutal symmetrischen Plasmabearbeitungskammer kann für einen einzelnen Hersteller von der Ausgeglichenheit von Kosten, Einfachheit der Bedienung und Produzierbarkeit abhängen.
Gemäß der in 1 gezeigten Zeichnung sind die Hochfrequenzantennenanordnung 102 und die obere Magnetanordnung 104 nicht koplanar, d.h. sie sind entlang der Achse 108 der Plasmabearbeitungskammer räumlich so versetzt, daß sie im Bereich 110 in der Nähe der Hochfrequenzantenne, die die Fenster-/Vakuumübergangsanordnung 102 koppelt, eine radiale Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds in der Plasmabearbeitungskammer mit sich bringen. 2a zeigt einige beispielhafte magnetische Feldlinien, die im Inneren der Kammer 106 gemäß 1 erzeugt werden können, um eine radiale Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds in der Plasmabearbeitungskammer zu erleichtern.
Vorteilhafterweise liegt nun eine nicht triviale radiale Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds vor, die bei dem verbesserten Plasmabearbeitungssystem absichtlich erzeugt wird und zweckmäßig so konfiguriert ist, daß sie eine nicht triviale Wirkung auf die Gleichmäßigkeit der Bearbeitung auf der Substratoberfläche haben kann. Gemäß 2a divergieren die Feldlinien 140 beispielsweise von einem Ringwulst mit einer hohen magnetischen Feldstärke und einem Radius von annähernd der Hälfte des Radius 144 der Kammer 146.
Durch den Einbau eines Mechanismus zum Variieren der absichtlich erzeugten radialen Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds kann die Gleichmäßigkeit des Prozesses über die Substratoberfläche in einem höheren Ausmaß fein eingestellt werden, als dies bei Plasmabearbeitungssystemen gemäß dem Stand der Technik möglich ist.
Der Bereich der B-Felder von den B-Spulen beträgt, in der Nähe des Fenster-/Vakuumübergangs gemessen, etwa 0 Gauß bis 1.500 Gauß, vorzugsweise etwa 0 Gauß bis 200 Gauß und optimal etwa 0 Gauß bis 50 Gauß. 2b ist eine beispielhafte Darstellung einer weiteren radial divergierenden Magnetfeldtopologie, die erzeugt werden kann, wenn die Gleichströme in den elektromagnetischen Spulen 104 gemäß 1 manipuliert werden. Gemäß 2b divergieren die Feldlinien beispielsweise im Vergleich zu denen gemäß 1 von einem Bereich mit starkem Feld auf einer Achse.
Die genaue Topologie geschlossener und offener Flußlinien ist unter Verwendung von Spulen 104 gemäß 1 steuerbar. Zudem werden der Bereich der Variation und die absolute Größe des Winkels der Feldlinie durch den genauen Aufbau der Magnetspulen bestimmt. Die Magnete können beispielsweise nicht koplanar eingestellt werden, um ein Beispiel von Feldlinien zu erzeugen, die mehr zur Achse zeigen, als die in 1 gezeigten. Die optimale Konstruktion der B-Spulen ist abhängig vom Kammerdurchmesser, dem Vorhandensein und der Stärke des magnetischen Behälters, der Antenne und den Funktionsweise der Plasmabearbeitung, für die der Reaktor konstruiert ist.
Der Aufbau kann gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung bestimmt werden. Typische Topographien der radialen Variation sind in 2c gezeigt. Die B-Feldstärke hat im Fall 1000 ein einziges lokales Maximum auf der Achse, während im Fall 1002 zwei symmetrisch angeordnete lokale Maxima an einem finiten Radius und ebenfalls ein lokales Maximum auf der Achse vorliegen. Bei der vorliegenden Erfindung können diese Typen von Variationen der Topographie unter Verwendung der Elektromagnetbaugruppe gesteuert werden.
In 1 ist auch eine magnetische Behälteranordnung 132 gezeigt, die mehrere axial um die Peripherie der Plasmabearbeitungskammer ausgerichtete Permanentmagnete umfaßt. Wie erwähnt, ist die magnetische Behälteranordnung 132 so konfiguriert, daß der Plasmadichtegradient vom Substrat entfernt gehalten wird, während gleichzeitig am Wafer ein sehr schwaches Magnetfeld aufrechterhalten wird. Bei der beispielhaften Ausführungsform gemäß 1 umfaßt die magnetische Behälteranordnung 132 eine Anzahl von 32 Permanentmagnetspitzen bzw. -umkehrpunkten, deren radiale Magnetisierungsfaktoren sich um die Kammer abwechseln (beispielsweise N, S, N, S, etc.). Die tatsächliche Anzahl der Umkehrpunkte (Cusps) pro Kammer kann jedoch entsprechend dem spezifischen Aufbau jedes Plasmabearbeitungssystems variieren.
Im allgemeinen sollte die Anzahl der Umkehrpunkte (Cusps) ausreichend hoch sein, um sicherzustellen, daß von dem Substrat entfernt ein hoher Plasmadichtegradient vorhanden ist. Da die Verluste jedoch relativ zum Rest des Kammerbehälters an der Spitze am höchsten sind, können zu viele Umkehrpunkte (Cusps) die Verbesserung der Dichte verschlechtern. Beispielhaft kann eine magnetische Feldstärke von etwa 15 Gauß bis 1.500 Gauß am Vakuum-/Wandübergang für einige Prozeße geeignet sein. Vorzugsweise kann die magnetische Feldstärke am Vakuum-/Wandübergang bei etwa 100 Gauß bis 1.000 Gauß liegen.
Vorzugsweise beträgt die magnetische Feldstärke am Vakuum-/Wandübergang etwa 800 Gauß. Es wird darauf hingewiesen, daß die Verwendung einer magnetischen Behälteranordnung 132 die Gleichmäßigkeit des Plasmas über die Wafer-Oberfläche verbessert und nicht für alle Prozeße erforderlich sein muß. Ist jedoch ein hoher Grad an Gleichmäßigkeit kritisch, kann der Einbau einer magnetischen Behälteranordnung 132 ziemlich vorteilhaft sein.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen ist die Hochfrequenzantennenanordnung vorzugsweise oberhalb des Hochfrequenzkopplungsfensters angeordnet, um den Aufbau und die Konstruktion der Kammer und des Hochfrequenzkopplungsfensters und/oder der magnetischen Behälteranordnung vorteilhaft zu vereinfachen. Es ist jedoch zu bedenken, daß die gewünschte steuerbare radiale Variation der Stärke und Topologie des Magnetfelds auch durch das Anordnen der Hochfrequenzantennenanordnung an anderen Positionen in der Kammer erzielt werden kann.
3a zeigt beispielhaft ein gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiertes Plasmabearbeitungssystem mit einer um die Peripherie eines Kopplungsfensters 120 angeordneten Hochfrequenzantennenanordnung 102. Die Hochfrequenzantennenanordnung ist oberhalb der Ebene angeordnet, die von dem Substrat gebildet wird, wen das Substrat zur Bearbeitung in der Plasmabearbeitungskammer angeordnet ist. Ferner sollte die Hochfrequenzantenne ausreichend nahe an der oberen Magnetanordnung angeordnet sein, um die Entstehung von Plasma in der Nähe des Bereichs der steuerbaren radialen Variation der Stärke und Topologie des B-Felds mit der höheren B-Feldstärke zu erleichtern.
Bei der beispielhaften Ausführungsform gemäß 1 wird eine Hochfrequenzantenne mit einem dreidimensionalen, gestapelten Aufbau verwendet, um die azimutal symmetrische Kopplung zu fördern, die wichtig ist, wenn ein hoher Grad an Gleichmäßigkeit der Bearbeitung über das Substrat erwünscht ist. Es wird jedoch ferner darauf hingewiesen, daß dieser dreidimensionale, gestapelte Aufbau nicht in allen Fällen erforderlich ist. In vielen Fällen ist das inhärente azimutal symmetrische Kopplungscharakteristikum einer derartigen Antenne keine Notwendigkeit (beispielsweise in solchen Fällen, in denen eine akzeptable Gleichmäßigkeit bereits mit Antennen erzielbar ist, die kein inhärentes azimutal symmetrisches Kopplungscharakteristikum aufweisen, beispielsweise einer ebenen Spiralantenne).
Beispiele alternativer Hochfrequenzantennenanordnungen, die verwendet werden können, sind in 3b (ebene Spiralantenne), 3c (Hochfrequenzantennenspule mit einer anderen Anzahl von Windungen, von denen jede eine andere Dicke aufweisen kann), 3d (Hochfrequenzantennenspule mit einer unterschiedlichen Anzahl von vertikal angeordneten Windungen), 3e (Hochfrequenzkopplungsquelle mit mehreren einzeln angesteuerten Antennen) und 3f (Kuppelantennen, die, wie dargestellt, eine einzige Spule sein oder mehrere zusammen oder über mehrere unabhängige Versorgungen angesteuerte Spulen umfassen können) zu finden. Ferner kann die Hochfrequenzantennenanordnung einen anderen, nicht die Achse umschließenden Aufbau unterschiedlicher Typen aufweisen, wie eine D-Form, mehrere Antennen und dergleichen.
Hinsichtlich der verwendeten Hochfrequenz tendiert, als allgemeine Richtlinie, eine an diesen Einrichtungen zu findende, niedrigere Hochfrequenz von beispielsweise < 13 MHz mit typischen Dielektrizitätskonstanten und physischen Dimensionen dazu, inhärent azimutal asymmetrische Kopplungscharakteristika einer Antenne weniger hervorstechend zu halten. Dementsprechend kann bei einer niedrigeren Hochfrequenz eine breitere Auswahl an Antennenkonfigurationen verwendet werden. Beispielhaft kann eine ebene Spiralantenne verwendet werden, um in der verbesserten Plasmabearbeitungskammer ein Ätzen von hoher Qualität zu realisieren, wenn die Hochfrequenz niedrig ist, beispielsweise 4 MHz beträgt.
Bei einer relativ hohen Hochfrequenz von beispielsweise 13 MHz und darüber können die inhärent azimutal asymmetrischen Kopplungscharakteristika einer Antenne hervorstechender werden und die Gleichmäßigkeit des Prozesses negativ beeinflussen. Dementsprechend können Antennen, die hinsichtlich ihrer Kopplungscharakteristika inhärent azimutal asymmetrisch sind (beispielsweise einfache Spiralantennen), für einige Prozeße ungeeignet sein, die einen hohen Grad an Gleichmäßigkeit des Prozesses erfordern. In diesen Fällen kann die Verwendung von Antennen mit inhärent azimutal symmetrischen Kopplungscharakteristika gerechtfertigt sein.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Hochfrequenzantennenanordnung vorzugsweise koaxial mit beiden elektromagnetischen Spulen, der Plasmabearbeitungskammer und dem Substrat vorgesehen. Dies ist jedoch keine absolute Notwendigkeit. Bei einigen Prozeßen, bei denen kein hoher Grad an von der koaxialen Hochfrequenzantennenanordnung herbeigeführter Gleichmäßigkeit des Prozesses benötigt wird, oder in Kammern, die ein asymmetrisches Pumpen verwenden, kann die Hochfrequenzantennenanordnung in Bezug auf diese koaxiale Konfiguration versetzt sein, um die Asymmetrie des Aufbaus der Kammer aufzugreifen.
Dennoch sind die zielgerichtete Einführung der steuerbaren radialen Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds und die Möglichkeit, eine derartige radiale Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds zu steuern, um die Gleichmäßigkeit des Prozesses über die Substratoberfläche fein einzustellen, nach wie vor wünschenswert.
Hinsichtlich der Größe der Hochfrequenzantennenanordnung ist es allgemein zu bevorzugen (wenn auch nicht absolut notwendig), die Hochfrequenzantennenanordnung kleiner als den Querschnitt der Kammer zu bemessen, um das Plasma in dem Bereich oberhalb des Substrats konzentriert zu halten und eine unangemessene Plasmadiffusion zur Kammerwand zu verhindern, die in nachteiliger Weise mehr Energie zum Betreiben des Plasmabearbeitungssystems erforderlich macht und die Wanderosion verstärkt.
Bei dem beispielhaften verbesserten Plasmabearbeitungssystem gemäß 1, bei dem die magnetische Behälteranordnung außerhalb der Kammer angeordnet ist, wird der Einfluß der Hochfrequenzantennenanordnung zur Verringerung der Plasmadiffusion zu den Kammerwänden vorzugsweise vollständig innerhalb des von der magnetischen Behälteranordnung gebildeten Bereichs gehalten. Ist die magnetische Behälteranord nung (entweder in Form mehrerer magnetischer Strukturen in der Nähe der Innenwände oder einer in der Nähe der Substratachse angeordneten magnetischen Struktur zum Drücken des Plasmadichtegradienten zu den Kammerwänden) im Inneren der Kammer angeordnet, so wird der Einfluß der Hochfrequenzantennenanordnung vollständig im Inneren des Bereichs mit hohem Plasmadichtegradienten gehalten, der in der Nähe der Kammerwände liegt.
In 1 ist das Hochfrequenzkopplungsfenster eben dargestellt. Es ist jedoch denkbar, daß das Hochfrequenzkopplungsfenster auch andere Formen aufweisen kann, wie bei dem Beispiel gemäß 3a, bei dem sich das Material des Kopplungsfensters auch nach unten erstreckt und eine Haube bildet, oder bei dem Beispiel gemäß 3g, bei dem das Fenster kuppelförmig ist. 3h zeigt eine Kombination des kuppelförmigen Fensters mit einer kuppelförmigen Antenne. Es wird darauf hingewiesen, daß nicht die Notwendigkeit besteht, daß der Radius des Hochfrequenzkopplungsfensters mit dem Radius der Plasmabearbeitungskammer übereinstimmt.
Bei einer niedrigeren Hochfrequenz (von beispielsweise weniger als etwa 13 MHz) wird die kapazitive Kopplung zwischen der Antenne und dem Plasma verringert, so daß das Bombardement des Kopplungsfensters 130 verringert wird. Bei einem verringerten Bombardement können sich ein Halbleiterfenster bzw. die Verwendung eines Faradayschen Käfigs erübrigen. Tatsächlich ist es denkbar, daß das Kopplungsfenster 130 in vorteilhafter Weise aus einem dielektrischen Material, wie etwa SiC oder AlxNy oder SixNy, ausgebildet sein kann, das auch mit SiC verbunden sein kann, um das Kopplungsfenster kompatibler mit der Plasmaumgebung in der Kammer zu gestalten.
1 zeigt auch eine obere Magnetanordnung, die zwei konzentrische elektromagnetische Spulen umfaßt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß auch mehr als zwei elektromagnetische Spulen vorgesehen sein können, insbesondere dann, wenn ein feines Niveau für die Steuerung der Gleichmäßigkeit erwünscht ist. Obwohl der Aufbau mit mehreren Spulen dadurch vorteilhaft ist, daß er selbst dann die gewünschte radiale Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds erzeugen kann, wenn die elektromagnetische Spulenanordnung und die Hochfrequenzantennenanordnung koplanar sind, ist er keine absolute Notwendigkeit. Wie erwähnt, kann eine derartige radiale Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds unabhängig von der Anzahl der beteiligten Spulen auch erzielt werden, wenn die elektromagnetische Spulenanordnung und die Hochfrequenzantennenanordnung nicht entlang der Achse der Kammer koplanar sind.
Im allgemeinen kann die radial divergente Magnetfeldtopologie durch Verändern der Größe und/oder Richtung des Gleichstroms (der Gleichströme) variiert werden, der bzw. die an die elektromagnetische(n) Spule(n) angelegt werden. Sind mehrere elektromagnetische Spulen involviert, wie es bei dem Beispiel gemäß 1 der Fall ist, dann kann die Größe und/oder Richtung von einem oder mehreren der an die mehreren beteiligten elektromagnetischen Spulen angelegten Gleichströme manipuliert werden, um die gewünschte Wirkung der Gleichmäßigkeit auf der Substratoberfläche zu erzielen.
Selbstverständlich kann die radiale Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds auch auf andere Weise manipuliert werden. So kann beispielsweise die radial variierende Magnetfeldtopologie auch durch physisches Bewegen der oberen Magnetanordnung variiert werden, entweder indem sie um eine Achse gedreht wird, die sich von 108 unterscheidet, indem sie entlang der Kammerachse bewegt wird, indem sie in der gleichen Ebene bewegt wird und/oder indem die obere Magnetanordnung geneigt wird. Als weiteres Beispiel kann die Feldtopologie auch durch Einführen und Bewegen eines Magnetflußplattenmaterials um die magnetischen Spulen eingestellt werden.
Da die Steuerung der Gleichmäßigkeit durch Manipulieren der radialen Variation der Stärke und Topologie des Magnetfelds vereinfacht wird, die primär in der Nähe des Bereichs 110 in der Nähe der Hochfrequenzantennenanordnung 102 erzeugt wird, ist der Abstand zwischen dem Substrat und der oberen Magnetanordnung ein wesentlicher Parameter. Dies liegt daran, daß Veränderungen der radialen Komponente der Magnetfeldtopologie auch Auswirkungen auf die axiale Komponente haben. Vorzugsweise sollte die Stärke des Magnetfelds während der Bearbeitung des Substrats an der Substratoberfläche ziemlich gering sein (beispielsweise weniger als 15 Gauß betragen) und an axialen Positionen in der Nähe der Hochfrequenzantennenanordnung hoch sein (beispielsweise etwa 15 bis 200 Gauß in der Nähe des Vakuum-/Fensterübergangs).
Wird die Feldstärke in einem zu großen Volumen bei dem Wafer zu gering, nähert sich das Plasma nahezu dem ohne das Vorhandensein des Gleichmäßigkeitssteuermechanismus erzielbaren Diffusionsprofil. Obwohl ein derartiges Diffusionsprofil für einige Bereiche in dem gestalteten Bearbeitungsfenster des Reaktors ausreichend gleichmäßig sein kann, werden die mit der Verfügbarkeit einer steuerbaren radialen Variation der Stärke und Topologie des Magnetfelds verbundenen Vorteile erheblich vermindert.
Angesichts dieser Überlegungen sollte der Abstand ausreichend gering sein, um eine Manipulation der Gleichmäßigkeit der Bearbeitung zu ermöglichen, wenn die radial variierende Stärke und Topologie des Magnetfelds verändert wird. Der Abstand sollte jedoch nicht so übermäßig gering sein, daß aufgrund von Variationen der im Wafer fließenden Ströme oder einer durch ein übermäßiges Magnetfeld an dem Wafer während der Bearbeitung verursachten oder verstärkten Aufladung der geätzten Merkmale auf dem bearbeiteten Wafer eine Beschädigung des Substrats initiiert wird.
Wenn der Abstand zwischen Quelle und Wafer zu gering ist, beginnt zudem die axiale Diffusion die Gleichmäßigkeit der Bearbeitung zu dominieren. Die dann zur Steuerung der Gleichmäßigkeit erforderliche Länge des Maßstabs der radialen Variation nähert sich der Größe der zu steuernden Ungleichmäßigkeit. Dies führt aufgrund der erhöhten Anzahl und der erforderlichen Genauigkeit der Steuerung lokaler radialer Variationen der Stärke und Topologie des Magnetfelds zu einem weniger optimalen magnetischen Aufbau.
Anders ausgedrückt, es steuern die physischen Grenzen der Kammer, wenn diese zu klein ist, die Gleichmäßigkeit der Bearbeitung in einem derartigen Ausmaß, daß die Anwendung der Prinzipien der Erfindung, obwohl sie nach wie vor anwendbar sind, eine übermäßige Komplizierung des Aufbaus und eine weniger optimale Ausgewogenheit zwischen der gewünschten Steuerung der Gleichmäßigkeit und weiteren, vorstehend beschriebenen praktischen Überlegungen, beispielsweise den Kosten, der Zuverlässigkeit, etc., erzwingt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform kann der Abstand zwischen dem Substrat und der oberen Magnetanordnung in einigen Fällen unter Berücksichtigung der Stärken der radial divergierenden Komponente und der axialen Komponente der steuerbaren Magnetfeldtopologie und der Notwendigkeit, eine unangebrachte Beschädigung des Substrats beim Anlegen des Stroms an die elektromagnetische Spulenanordnung zum Einstellen der Gleichmäßigkeit des Prozesses zu vermeiden, empirisch bestimmt werden.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Abstand von 20 cm für eine Substratbearbeitungskammer geeignet, die zur Bearbeitung von Halbleitersubstraten mit einem Durchmesser von weniger als etwa 470 mm konstruiert ist.
4a zeigt als Vergleichsbeispiel eine Implementierung, bei der mindestens eine der Spulen 104a um die Peripherie der Kammer 106 angeordnet ist. Die Implementierung gemäß 4a zeigt auch die Verwendung von zwei Spulen, die relativ zueinander ebenfalls nicht koplanar sind. Es wird darauf hingewiesen, daß die Spulen gemäß 4a wunschgemäß über oder unter dem Fenster 130 angeordnet sein können.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die obere Magnetanordnung koaxial zu der Antenne, der Kammer und dem Substrat, um die Ausrichtung der Plasmawolke am Substrat zu vereinfachen. Es ist jedoch denkbar, daß es in einigen Plasmabearbeitungskammern, beispielsweise denjenigen, bei denen ein asymmetrisches Pumpen erfolgt oder die eine komplexere Magnetfeldtopologie erfordern, vorteilhaft sein kann, die obere Magnetanordnung in Bezug auf die Kammerachse und/oder die Substratachse zu versetzten, um die Ergebnisse des Prozesses zu verbessern.
Eine derartige Implementierung ist in 4b gezeigt, wobei mindestens eine der Spulen 104a und 104b in Bezug auf die Kammerachse versetzt ist. Obwohl die Magnetspulen eben dargestellt sind, ist dies ebenso keine absolute Notwendigkeit, und es ist denkbar, daß kuppelförmige oder andere dreidimensional geformte Spulen, wie die in 4c gezeigten, beispielsweise zum weiteren Formen der Magnetfeldtopologie in der Kammer nützlich sein können.
Zudem ist es nicht erforderlich, daß die Spulen direkt über der Antenne liegen müssen. Bei der Ausführungsform gemäß 4d ist die elektromagnetische Spule 104 beispielsweise über der Hochfrequenzantenne 402 liegend dargestellt. Derartiges ist jedoch bei der Implementierung gemäß 4e nicht der Fall.
Bei der Ausführungsform gemäß 4f kann auch eine zusätzliche Magnetfeldgeneratoranordnung 104C entweder außerhalb der Kammer oder innerhalb der Kammer unter der vom Substrat gebildeten Ebene angeordnet sein, um die Stärke des Magnetfelds zu verringern und/oder die übrige Variation der Magnetfeldstärke und/oder -topologie an der Substratoberfläche weiter zu kompensieren. In diesem Fall kann eine potentielle Beschädigung des Substrats aufgrund einer auf die obere Magnetanordnung zurückzuführenden, übermäßig starken axialen Komponente des Magnetfelds reduziert werden.
Obwohl bei den bevorzugten Ausführungsformen Einfachheit und Symmetrie demonstriert werden, ist zu erwarten, daß ähnliche Variationen zur Steuerung der Gleich mäßigkeit auch mit magnetischen Spulen realisiert werden können, die keinen kreisförmigen Querschnitt aufweisen (beispielsweise sechseckig oder quadratisch sind oder andere geometrische Formen aufweisen) oder Achsen haben, die nicht parallel zur Hauptsystemachse sind.
Bei dem beispielhaften Plasmabearbeitungssystem gemäß 1 ist der Aufbau der Vakuumkammer, der Gaspumpeinrichtung, der Behältermagnetfelder, der Antenne und der Magnetpulen der Plasmabearbeitungskammer vorzugsweise koaxial zur Achse der Kammer selbst, der Hochfrequenzantennenanordnung und des Substrats. Obwohl diese Implementierung dadurch besonders vorteilhaft ist, daß sie die inhärente Symmetrie der typischen Substratbearbeitungs- und Diffusionscharakteristika am besten nutzt, kann es Fälle geben, in denen es zweckmäßig ist, wenn die Vakuumkammer und der magnetische Aufbau nicht koaxial zur Achse der Kammer, der Hochfrequenzantennenanordnung und/oder des Substrats sind.
Bei einigen Plasmabearbeitungssystemen kann beispielsweise ein asymmetrisches Pumpen implementiert werden. In diesen Fällen kann die Gleichmäßigkeit verbessert werden, indem ein gewisser Grad an Asymmetrie in die Vakuumkammer und/oder den magnetischen Aufbau eingeführt wird, um die Asymmetrie des Stroms der Gase durch die Kammer zu korrigieren.
Überdies besteht nicht die Notwendigkeit, daß der Wirkungsbereich der Hochfrequenzantenne größer als der Wirkungsbereich der oberen Magnetanordnung sein muß. Dies bedeutet, daß nicht die Notwendigkeit besteht, daß der Querschnitt der oberen Magnetanordnung kleiner als der Querschnitt der Hochfrequenzantenne ist. Solange beide so konfiguriert sind, daß das Ergebnis eine steuerbare radiale Variation der Stärke und Topologie des Magnetfelds in der Plasmabearbeitungskammer in der Nähe des Plasma-/Fensterübergangs ist, können die relativen Größen der Hochfrequenzantenne und der oberen Magnetanordnung bemessen werden, wie gewünscht.
Ist eine magnetische Behälteranordnung beteiligt, wie bei der bevorzugten Ausführungsform, um die Gleichmäßigkeit der Bearbeitung bei einigen kritischen Prozessen zu verbessern, dann ist auch der Aufbau des magnetischen Behälters von Bedeutung. Im allgemeinen sollte die magnetische Behälteranordnung ein ausreichend starkes Magnetfeld erzeugen, um den Großteil des Plasmadichtegradienten vom Substrat weg und in die Nähe der Kammerwände zu zwingen.
Vorzugsweise sollte die Stärke des Magnetfelds bei dem Vakuum-/Wandübergang in der Plasmabearbeitungskammer relativ hoch sein und beispielsweise bei 15 Gauß bis 1.500 Gauß, vorzugsweise zwischen etwa 100 Gauß und 1.000 Gauß und bei einer Ausführungsform bei etwa 800 Gauß liegen. Die Stärke des Magnetfelds in der Mitte des Substrats sollte jedoch niedrig gehalten werden, beispielsweise bei weniger als etwa 15 Gauß und vorzugsweise bei weniger als etwa 5 Gauß.
Obwohl die magnetische Behälteranordnung gemäß 1 Magnete umfaßt, die nahezu die gesamte Höhe der Plasmabearbeitungskammer überspannen, ist dies keine Notwendigkeit. 5a zeigt beispielhaft eine magnetische Behälteranordnung, deren Magnete 132 sich nicht von der Oberseite der Kammer zum Boden der Kammer erstrecken. Im allgemeinen sind die Permanentmagnete vorzugsweise so dimensioniert, daß die axialen Gradienten des von der magnetischen Behälteranordnung erzeugten Magnetfelds auf dem Niveau der Substratoberfläche niedrig gehalten werden.
Bei einer Ausführungsform erstreckt sich der magnetische Teil der magnetischen Behälteranordnung von einer Position oberhalb des Substrats (d.h. der Nähe der Oberseite der Kammer) zu einer Position unterhalb der Ebene des Substrats (beispielsweise 38 mm (1,5 Inch) darunter), um die axialen Gradienten der magnetischen Feldlinien zu minimieren oder erheblich zu verringern, die von der magnetischen Behälteranordnung erzeugt werden.
Obwohl diese Implementierung hochgradig vorteilhaft ist und bevorzugt wird, ist zu bedenken, daß es möglich sein kann, für einige Prozeße ein Plasmabearbeitungssystem zu verwenden, bei dem Kammermagnete (d.h. die Magnete der magnetischen Behälteranordnung) nur auf einer Seite der Ebene des Substrats angeordnet sind. Wenn die Anforderungen an die Gleichmäßigkeit des Prozesses beispielsweise das Vorhandensein einiger axialer Gradienten der von der magnetischen Behälteranordnung erzeugten magnetischen Feldlinien zulassen, muß es nicht notwendigerweise erforderlich sein, daß sich die Kammermagnete auf beiden Seiten der Ebene des Substrats erstrecken.
Als weiteres Beispiel kann es möglich sein, zwei Sätze von Kammermagneten vorzusehen, und zwar einen auf jeder Seite der Ebene des Substrats (wie etwa die Sätze 132 und 180 in 5b), um sicherzustellen, daß die axialen Gradienten der von der magnetischen Behälteranordnung erzeugten magnetischen Feldlinien an der Substratoberfläche niedrig gehalten werden, während sie den Großteil der Plasmadichtegradienten vom Substrat weg in die Nähe der Kammerwände zwingen. Obwohl die Ausführungs form gemäß 1 die Umkehrpunkte (Cusps) der magnetischen Behälteranordnung außerhalb des Vakuums darstellt, ist dies ferner keine absolute Notwendigkeit. Der zweite Satz von Magneten gemäß 5b (Bezugszeichen 180) ist beispielsweise innerhalb des Vakuums dargestellt.
Obwohl bei der bevorzugten Ausführungsform Permanentmagnete zur Implementierung der magnetischen Behälteranordnung verwendet werden, kann die magnetische Behälteranordnung ferner auch unter Verwendung von Elektromagneten implementiert werden.
Obwohl ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung, wie erwähnt, die Eliminierung der Plasmaerzeugungskammer ist, so ist zu erkennen, daß, obwohl die gleiche Kammer zum Zünden, Erzeugen und Halten des Plasmas für die Bearbeitung verwendet werden kann, keine absolute Notwendigkeit besteht, das Substrat in der gleichen Kammer zu halten. Wie in 5b gezeigt, kann eine zusätzliche Kammer 106b zur Aufnahme der Halterung, die das Substrat hält, und zur Erleichterung des Transports des Substrats vorgesehen sein.
Durch die Verwendung einer einzigen Kammer 106a zum Erzeugen und Aufrechterhalten des Plasmas zu Bearbeitungszwecken sind viele der den Plasma- und Chemikalientransport sowie die Kammerwandadsorption betreffenden Aufgaben bereits gelöst, und es ist daher nicht absolut erforderlich, zu verlangen, daß auch die Einspannanordnung und die Auslaßkanäle in der gleichen Kammer angeordnet sind. Anders ausgedrückt, es können hochgradig vorteilhafte Prozeßergebnisse erzielt werden, solange die Substratoberfläche, die einer Bearbeitung unterzogen wird, dem Plasma in der einzigen, sowohl zur Erzeugung als auch zur Aufrechterhaltung des Plasmas für die Bearbeitung verwendeten Kammer ausgesetzt ist und ein Gleichmäßigkeitssteuerungsknopf zur Feineinstellung der radial divergierenden Magnetfeldtopologie vorgesehen ist.
Wird auch eine magnetische Behälteranordnung verwendet, um die Plasmadichtegradienten des erzeugten Plasmas vom Substrat weg und zu den Wänden zu drücken, kann selbst dann ein in hohem Maße gleichmäßiger Prozeß realisiert werden, wenn die Einspannanordnung und ein Teil des Substrats oder das gesamte Substrat in einer Kammer angeordnet sind und die zu bearbeitende Substratoberfläche dem zur Bearbeitung in der anderen Kammer gezündeten und aufrechterhaltenen Plasma ausgesetzt wird.
Obwohl die Magnete der Behälter azimutal (beispielsweise längs der Achse der Kammer) ausgerichtet sind, wobei sich die radialen Magnetisierungsmuster um die Kammer abwechseln, ist es ferner denkbar, daß sich die Magnetisierungsmuster nicht abwechseln. Der Satz von Magneten kann beispielsweise in mehrere Untergruppen unterteilt sein, von denen jede die gleiche oder eine unterschiedliche Anzahl an Magneten aufweisen kann.
Dies kann zur Behebung von jedweden die Asymmetrie betreffenden Problemen geeignet sein, die in einer bestimmten Kammer auftreten. Ebenso können die Achsen jedes Magneten in einer Richtung ausgerichtet sein, die sich von der radialen Richtung unterscheidet. Wiederum kann diese Implementierung geeignet sein, um beliebige, die Asymmetrie betreffende Probleme zu beheben, die in einer bestimmten Kammer auftreten.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform können einige oder sämtliche Magnete des magnetischen Behälters auf ihren Achsen drehbar gehalten werden, um das Magnetisierungsmuster zu verändern. Eine derartige Implementierung ist in 6c gezeigt. Alternativ oder zusätzlich kann die Stärke der einzelnen Magnete entweder durch physisches Bewegen der Magnete oder durch Verändern der durch die Magnete fließenden Strommenge variabel eingestellt werden (wenn beispielsweise Elektromagnete verwendet werden).
Obwohl die Umkehrpunkte (Cusps) der magnetischen Behälteranordnung bei der Ausführungsform gemäß 1 axial dargestellt sind, ist dies keine absolute Notwendigkeit. Einige oder sämtliche Umkehrpunkte (Cusps) können beispielsweise in einem Schachbrettmuster (z.B. 6a) oder einem azimutalen Muster (z.B. 6b) ausgebildet sein, wobei die Magnete parallel zur Ebene des Substrats angeordnet sein können. Bei einigen Plasmabearbeitungssystemen können diese Anordnungen geeignet sein, da sie aufgrund der Besonderheiten einiger Plasmabearbeitungssysteme in einem höheren Ausmaß gewährleisten können, daß die Plasmadichtegradienten vom Substrat entfernt sind.
7 zeigt ein vereinfachtes Ablaufdiagramm, das die an der Steuerung der Gleichmäßigkeit des Prozesses durch Ändern der radialen Variation der Stärke und/oder Topologie des steuerbaren Magnetfelds beteiligten Schritte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In einem Schritt 702 wird eine einzige Kammer in Form einer einzigen, im wesentlichen azimutal symmetrischen Plasma bearbeitungskammer bereitgestellt. Wie erwähnt, wird diese Kammer sowohl zum Zünden als auch zum Aufrechterhalten des Plasmas für die Bearbeitung verwendet, so daß sich eine separate Plasmaerzeugungskammer und die damit verbundenen, den Transport des Plasmas betreffenden Aufgabenstellungen erübrigen.
In einem Schritt 704 wird die Hochfrequenzantenne bereitgestellt. In einem Schritt 706 wird die obere Magnetanordnung bereitgestellt und so angeordnet, daß die Hochfrequenzantenne und die obere Magnetanordnung zusammen eine nicht triviale radiale Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds veranlassen.
In einem Schritt 708 wird das Substrat zur Bearbeitung in der Plasmabearbeitungskammer angeordnet. In einem Schritt 710 werden Reaktionsgase (beispielsweise Abscheidungsquellengase oder Ätzquellengase) in die Plasmabearbeitungskammer geleitet, und in ihnen wird Plasma gezündet. In einem Schritt 712 wird die radiale Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds in der Nähe der Hochfrequenzantenne auf eine Einstellung eingestellt, mit der die Gleichmäßigkeit der Bearbeitung über die Substratoberfläche verbessert wird.
Die Einstellung kann vorab, vor der Bearbeitung, auf eine vorab definierte Einstellung oder in Echtzeit erfolgen, um die Gleichmäßigkeit der Bearbeitung während der Plasmabearbeitung einzustellen.
Wie für Fachleute ersichtlich, kann die Erfindung leicht angepaßt werden, um die Gleichmäßigkeit des Prozesses auf eine aktive, zeitabhängige Weise zu steuern, die eine vollständige Steuerung der Wafer-Bearbeitung über einen erheblich breiteren Bearbeitungsbereich ermöglicht, als dies ohne die Steuerung der Gleichmäßigkeit möglich wäre. Es ist beispielsweise zu erwarten, daß bei dem erfindungsgemäßen Plasmabearbeitungssystem ein weiterer Bereich von Plasmadichten (beispielsweise etwa 109 bis 10 Ionen/cm) verwendet werden kann, da der magnetische Behälter eine sehr effiziente Nutzung der Energiequelle zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Plasmas ermöglicht und die obere Magnetanordnung die Aufrechterhaltung der Steuerung der Gleichmäßigkeit des Prozesses über den gesamten Plasmadichtebereich ermöglicht.
Ebenso ist zu erwarten, daß ein breiterer Bereich an Drücken (beispielsweise 0,13 Pa (< 1 mT) bis etwa 13,3 Pa (100 mT) erfolgreich bei der Bearbeitung von Substraten verwendet werden kann, da der magnetische Behälter die Aufrechterhaltung des Plasmas bei niedrigeren Drücken ermöglicht. Daher kann ein einziger Reaktor für unterschiedliche Prozeße mit breiten Verfahrensfenstern verwendet werden, was dem Verfahrenstechniker einen Grad an Flexibilität ermöglicht, der bei Plasmabearbeitungssystemen gemäß dem Stand der Technik nicht zur Verfügung stand.
Überdies ist es denkbar, zur Überwachung der Gleichmäßigkeit des Prozesses auf einem Substrat in Echtzeit einen geeigneten Rückmeldungsmechanismus zu verwenden und die radiale Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds ebenfalls in Echtzeit zu modifizieren, um als Ergebnis die gewünschte optimale Gleichmäßigkeit des Prozesses zu erzielen. Alternativ oder zusätzlich kann die radiale Variation der Stärke und Topologie des steuerbaren Magnetfelds auf unterschiedliche Einstellungen verstellt werden, um für unterschiedliche Ätzschritte in einem gegebenen Ätzprozeß die richtige Steuerung der Gleichmäßigkeit zu erzielen.
Es wird darauf hingewiesen, daß diese Einstellungen mit oder ohne den Vorteil des Rückmeldungsmechanismus vorgenommen und entweder während des Ätzens durch eine einzelne Schicht oder bei einem Fortschreiten des Ätzvorgangs von einer Schicht zur anderen durchgeführt werden können. Ohne Rückmeldungsmechanismus können die geeigneten Einstellungen der Gleichmäßigkeit für die verschiedenen Schritte vorab empirisch oder anderweitig festgestellt und während des Ätzens verwendet werden.
Obwohl die Erfindung anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, gibt es Veränderungen, Umstellungen und Äquivalente, die in den Rahmen der Erfindung fallen. Obwohl zur Vereinfachung der Diskussion der bevorzugten Ausführungsform das Ätzen als Beispiel herangezogen worden ist, so ist darauf hinzuweisen, daß die Steuerung der Gleichmäßigkeit auf beliebige Halbleiterbearbeitungsprozesse, beispielsweise die Abscheidung, anwendbar ist.

Claims

Plasmabearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Substrats, die folgendes aufweist: eine einzige Kammer, in Form einer im wesentlichen azimutal symmetrischen Plasmabearbeitungskammer, innerhalb der ein Plasma sowohl gezündet als auch für die Bearbeitung aufrechterhalten wird, wobei die Plasmabearbeitungskammer das Plasma für die Substratbearbeitung sowohl erzeugt als auch enthält, wobei die Plasmabearbeitungskammer ein oberes Ende und ein unteres Ende aufweist; ein Kopplungsfenster, das an einem oberen Ende der Plasmabearbeitungskammer angeordnet ist; eine Hochfrequenzantennenanordnung, die oberhalb einer von dem Substrat definierten Ebene angeordnet ist, wenn das Substrat zur Bearbeitung innerhalb der Plasmabearbeitungskammer angeordnet ist; eine Elektromagnetanordnung, die oberhalb der Hochfrequenzantennenanordnung angeordneten ist, wobei die Elektromagnetanordnung so konfiguriert ist, daß sich eine radiale Variation des Magnetfelds ergibt, die innerhalb der Plasmabearbeitungskammer in einem Bereich in der Nähe des Kopplungsfensters und der Antenne zu steuern ist, wenn mindestens ein Gleichstrom an die Elektromagnetanordnung angelegt wird, wobei die radiale Variation wirksam ist, um die Gleichmäßigkeit der Bearbeitung über das Substrat zu beeinflussen; und eine Gleichstromquelle, die mit der Elektromagnetanordnung gekoppelt ist, wobei die Gleichstromquelle eine Steuerung aufweist, um das Magnetfeld durch Variieren der Stärke des mindestens einen Gleichstroms abzustimmen, um dadurch die radiale Variation in dem steuerbaren Magnetfeld innerhalb der Plasmabearbeitungskammer in dem Bereich in der Nähe der Antenne zu verändern, um die Gleichmäßigkeit der Bearbeitung über das Substrat zu verbessern.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Hochfrequenzantennenanordnung oberhalb des Kopplungsfensters angeordnet ist.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Hochfrequenzantennenanordnung und die Elektromagnetanordnung entlang der Achse der Plasmabearbeitungskammer räumlich versetzt sind, um die radiale Variation in dem steuerbaren Magnetfeld zu erzeugen.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Elektromagnetanordnung mindestens zwei Elektromagnete aufweist.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 2, bei dem die Elektromagnetanordnung zwei konzentrische Elektromagnetspulen aufweist, wobei eine erste der beiden konzentrischen Elektromagnetspulen so konfiguriert ist, daß sie einen ersten Gleichstrom in einer ersten Richtung führt, und eine zweite der beiden konzentrischen Elektromagnetspulen so konfiguriert ist, daß sie einen zweiten Gleichstrom in einer zweiten Richtung führt, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, bei dem das Kopplungsfenster ein dielektrisches Fenster darstellt.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, bei dem das Kopplungsfenster im wesentlichen nicht eben ist.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, bei dem das Kopplungsfenster im wesentlichen eben ist.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Antenne im wesentlichen eben ist.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Antenne im wesentlichen nicht eben ist.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, bei dem das Substrat einen Halbwafer darstellt.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, bei dem das Substrat eine Glas- oder Kunststoffplatte zur Verwendung bei der Fertigung von Flachbildschirmen darstellt.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Hochfrequenzantennenanordnung im wesentlichen symmetrisch um eine Achse der Plasmabearbeitungskammer ausgebildet ist.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, bei dem Strukturen, die der Plasmabearbeitungskammer zugeordnet sind, die einen nicht unerheblichen Einfluß auf die Verteilung der Plasmadichte innerhalb der Plasmabearbeitungskammer haben, so konfiguriert sind, daß sie im wesentlichen symmetrisch um eine Achse der Plasmabearbeitungskammer angeordnet.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, bei dem ein Ausgangsanschluß der Plasmabearbeitungskammer im wesentlichen symmetrisch um eine Achse der Plasmabearbeitungskammer angeordnet ist.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, das ferner eine bewegliche Spannanordnung aufweist, wobei die Spannanordnung so konfiguriert ist, daß sie sich zwischen einer ersten Position zum Laden und Entladen des Substrats und einer zweiten Position zur Bearbeitung des Substrats bewegt.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, das ferner eine magnetische Behälteranordnung aufweist, die um die Peripherie der Plasmabearbeitungskammer angeordnet ist.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, das ferner eine um die Peripherie der Plasmabearbeitungskammer angeordnete magnetische Behälteranordnung mit einem im wesentlichen symmetrischen Flußplattensystem aufweist, das die magnetische Behälteranordnung umgibt.
Magnetische Behälteranordnung gemäß Anspruch 18, bei der das symmetrische Flußplattensystem eine kontinuierlich um die äußere Peripherie der magnetischen Behälteranordnung angeordnete Flußplatte auf weist, wobei die Flußplatte nahe bei den magnetischen Elementen der magnetischen Behälteranordnung angeordnet ist.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 17, bei dem die magnetische Behälteranordnung eine Vielzahl von Dauermagneten aufweist, die außerhalb von und im wesentlichen parallel zu einer Achse der Plasmabearbeitungskammer angeordnet sind.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 20, bei dem die Vielzahl von Dauermagneten nur einen Teil der Höhe der Plasmabearbeitungskammer zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende überspannen.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Bearbeitung das Ätzen des Substrats umfaßt.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, das ferner eine Substrathalterung, die so konfiguriert ist, daß sie das Substrat während der Bearbeitung hält, und eine mit der Substrathalterung gekoppelte erste Hochfrequenzenergiequelle aufweist, die unabhängig von einer mit der Hochfrequenzantennenanordnung gekoppelten zweiten Hochfrequenzenergiequelle steuerbar ist.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Veränderung der radialen Variation des steuerbaren Magnetfelds eine Veränderung der Größenkomponente des steuerbaren Magnetfelds einschließt.
Plasmabearbeitungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Veränderung der radialen Variation des steuerbaren Magnetfelds eine Veränderung der Topologiekomponente des steuerbaren Magnetfelds einschließt.