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Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Gerät für die und ein Verfahren zur
Bearbeitung einer Halbleitervorrichtung unter Verwendung eines durch Mikrowellen
erzeugten Plasmas zwecks Oberflächenbehandlung, wie Trockenätzen oder die Bildung
eines Dünnfilms mittels CVD (chemische Gasphasenabscheidung). Insbesondere beziehen
sich das Gerät und das Verfahren auf das Anlegen einer
RF-(Hochfrequenz)-Vorspannung an ein zu bearbeitendes Substrat.
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Bei einer derartigen Plasmabearbeitung ist es erforderlich, während des Ätzvorgangs die
Anisotropie des Ätzens, die Beschädigung der Substratoberfläche und die
Ätzgeschwindigkeit, bzw. während der Dünnfilmbildung die Zusammensetzung des Films, wie den
Kupplungsgrad zwischen Atomen, die Filmqualität, wie Wasserdurchlässigkeit, die dem
Film auferlegte Belastung und die Abstufung willkürlich zu kontrollieren. Es ist aber
nicht einfach, ein Gerät herzustellen, das diesen verschiedenen Bedingungen gleichzeitig
nachkommen kann. In den vergangenen Jahren machte ein
Mikrowellen-Plasmabearbeitungsgerät, das ECR-Plasma (Elektronen Cyclotronen Resonanz) verwendet, stark auf
sich aufmerksam, da es sich um ein Gerät handelt, das diese Bedingungen erfüllen kann.
Das ECR-Plasma basiert auf dem Prinzip, daß Elektronen durch Verwendung von
Resonanzeffekten, die zwischen einem Magnetfeld und Mikrowellen erzeugt werden,
beschleunigt werden können und daß ein Gas durch Verwendung der kinetischen Energie
der Elektronen ionisiert wird, wodurch das Plasma erzeugt wird. Die durch die
Mikrowellen erregten Elektronen bewegen sich kreisförmig um die Linien der Magnetkraft. In
diesem Fall wird sich auf einen Zustand, bei dem die Zentrifugalkraft die Lorentz-Kraft
ausgleicht, als ECR-Zustand bezogen. Ist die Zentrifugalkraft mrω² und die
Lorentz-Kraft -qrωB, wird der Zustand ihres Gleichgewichts als ω/B = q/m ausgedrückt, worin
ω die Winkelfrequenz der Mikrowellen, B die Magnetflußdichte und q/m die spezifische
Ladung ist. Eine allgemein benutzte und in der Industrie als Standard angenommene
Mikrowellenfrequenz ist 2,45 GHz. In diesem Fall beträgt die Resonanzmagnetflußdichte
875 Gauß.
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Bei der CVD-Vorrichtung für den ECR-Plasmaätzvorgang ist die Umwandlung von
Mikrowellen in Impulse mit starker Spitzenleistung erforderlich, bevor die Mikrowellen
in die Plasmaerzeugungskammer zwecks Erzeugung des Plasmas eingeführt werden, um
ein hochwirksames Ätzen oder Bilden eines Dünnfilms unter Vorhandensein einer hohen
Plasmadichte durchzuführen. In der Praxis ist es allgemein üblich, daß eine
RF-(Hochfrequenz)-Vorspannung zwischen dem Plasma und dem zu bearbeitenden
Substrat angelegt wird, um die Bearbeitung mit hoher Anisotropie in dem Ätzvorgang
durchzuführen. Hochfrequenzen reichen von ungefähr 50 KHz bis zu mehreren 10 MHz.
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Bei dem Ätzvorgang während der Dünnfilmbildung können in der Substratoberfläche
entstandene Rillen und Löcher einheitlich mit einem hochdichten Film durch Anlegen
einer RF-Vorspannung während der Dünnfilmbildung geschlossen werden. Wenn darüber
hinaus die Substratoberfläche mit abgestuften Bereichen versehen ist, können diese
abgestuften Bereiche beseitigt werden, um eine ebene Oberfläche zu bilden. Der Grund
hierfür liegt darin, daß, wenn das Plasma erzeugt wird, ein sogenanntes schwebendes
Potential auf der Substratoberfläche (oder der Oberfläche des auf der Substratoberfläche
gebildeten Dünnfilms) entsteht, was auf die unterschiedliche Mobilität der in dem Plasma
vorhandenen Elektronen und Ionen zurückzuführen ist. Wenn aber eine RF-Vorspannung
angelegt wird, kann die Größe dieses schwebenden Potentials kontrolliert werden, so daß
es möglich ist, die Energie der zu der Substratoberfläche oder Dünnfilmoberfläche
gerichteten Ionen zu kontrollieren. Wenn eine RF-Vorspannung angelegt wird, ist es
ebenfalls möglich, daß elektrische Felder nicht nur in die senkrechte sondern auch in die
parallele Richtung zur Substratoberfläche erzeugt werden. Dies wirkt sich effektiv auf
die Dünnfilmbildung aus und die Konzentration der elektrischen Felder erleichtert die
Beseitigung überschüssiger Ablagerungen von spitzen Bereichen auf der
Substratoberfläche.
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Eine bekannte Form einer CVD-Vorrichtung für den ECR-Plasmaätzvorgang ist in Figur
9 dargestellt. Die Konfiguration und der Betrieb dieser Vorrichtung werden nachstehend
beschrieben. Zunächst werden eine Plasmaerzeugungskammer 3 und eine
Bearbeitungskammer 9 durch eine (nicht abgebildete) Entleerungsvorrichtung entleert. Stickstoffgas
(N&sub2;) fließt aus der Gaszufuhrvorrichtung 4 in die Plasmaerzeugungskammer 3,
gleichzeitig werden von einem Mikrowellengenerator 17 erzeugte impulsartige Mikrowellen
über einen als Übertragungsvorrichtung dienenden Wellenleiter 1 in die
Plasmaerzeugungskammer 3 eingeführt.
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Zwischen der Plasmaerzeugungskammer 3 und dem Wellenleiter 1 befindet sich ein
Vakuumfenster 2, um die geleerte Plasmaerzeugungskammer 3 luftdicht von dem
Wellenleiter 1 unter atmosphärischem Druck zu isolieren. Der untere Teil der
Plasmaerzeugungskammer 3 ist mit einer Metallplatte mit einer einen großen Durchmesser
aufweisenden Mittelöffnung 7 versehen. Die Metallplatte und die
Plasmaerzeugungskammer 3 bilden zusammen einen halboffenen Mikrowellenresonator. Außerhalb des
Resonators ist ein Erregermagnet 6 angebracht, durch den Magnetfelder in dem
Resonator gebildet werden, die ECR-Bedingungen erfüllen. Dadurch wird Plasma in dem
Resonator erzeugt. Das Plasma wird entlang eines aus Magnetkraft gebildeten
Wirkkanals 13 in die Bearbeitungskammer 9 gedrückt. Im Anschluß daran wird ein Gas, wie
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Monosilangas (SiH&sub4;), aus der Gaszufuhrvorrichtung 12 in einen bis zu einer
Substrathalteplatte 10 reichenden Raum eingespeist. Dieses Gas wird durch das Plasma äktiviert,
um eine aktive Spezies herzustellen, die unverzüglich auf ein zu bearbeitendes Substrat
11 reagiert, an das eine RF-Vorspannung durch den RF-Generator 20 angelegt wird,
wodurch ein Dünnfilm auf der Substratoberfläche gebildet wird. Ein Draht zum Anlegen
der RF-Vorspannung an dem Substrat 11 wird durch eine Abschirmung mit Erdpotential
umsponnen, und die Umfangsfläche des Substrats 11 ist von der Abschirmung mit
Erdpotential umgeben.
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Die CVD-Vorrichtung für den ECR-Plasmaätzvorgang kann ebenfalls zum Ätzen des
Substrats durch Einspeisen eines Gases zum Ätzen aus der Gaszufuhrvorrichtung 4
anstelle des N&sub2;-Gases verwendet werden.
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Jedoch sind mit dieser Art einer herkömmlichen CVD-Vorrichtung für den ECR-
Plasmaätzvorgang die folgenden Probleme verbunden.
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1. Da das Plasma erzeugt wird, wenn Mikrowellen in die Plasmaerzeugungskammer
geleitet werden und während eines Abschnitts des Impulszyklusses der Mikrowellen
keine Mikrowelle erzeugt wird, wird in diesem Moment auch kein Plasma
hergestellt. Beim Anlegen der RF-Vorspannung wird das Plasma während seiner
Erzeugung zu einer Ladung, wodurch eine Impedanzanpassung möglich ist. Daher ist es
während dieser Zeit möglich, eine geeignete Spannung an das Substrat anzulegen.
Wenn jedoch weder Mikrowelle noch Plasma erzeugt wird, wird - wie an dem
RF-Generator 20 zu sehen - ein Nullastzustand hergestellt und die Impedanz kann
nicht angepaßt werden. Wird jedoch die RF-Vorspannung vorab eingestellt, um eine
Anpassung während der Plasmaerzeugung zu erhalten, ist die Impedanz
unweigerlich falsch angepaßt, wenn kein Plasma erzeugt wird, wodurch eine ungewollt hohe
Spannung an das Substrat angelegt wird. Diese hohe Spannung beträgt in einigen
Fällen ungefähr 1 kV und an der Substratoberfläche erfolgt eine elektrische
Entladung. Dies führt zu dem Problem, daß sich auf der Substratoberfläche Mulden
bilden, was Querrisse zur Folge hat.
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2. Darüber hinaus wird während der Plasamerzeugung ein - wie oben bereits
beschrieben - schwebendes Potential auf der Substratoberfläche gebildet. Dieses schwebende
Potential wird über die RF-Vorspannung gesteuert und hängt außerdem von der
Impedanz des Plasmas ab (das im wesentlichen durch die elektrische Leistung der
eingespeisten Mikrowellen bestimmt wird), wenn die RF-Vorspannung angelegt
wird. Dementsprechend ist bei der Durchführung einer Oberflächenbehandlung des
Substrats mittels Ionen in dem Plasma unter der Aktion der elektrischen Leistung
bestimmter Mikrowellen und bei dem Versuch, einen optimalen Wert des
schwebenden Potentials zu erhalten, (d.h. einen zeitlichen Mittelwert: da es für die Ionen in
dem Plasma schwierig ist, der Hochfrequenz zu folgen, wird der zeitliche Mittelwert
des schwebenden Potentials bei Anlegen der RF-Vorspannung zu einem Problem),
der Wert (Spitzenwert) der RF-Vorspannung unbedingt auf einen bestimmten Wert
einzustellen. Unterdessen treten bei verschiedenen Bearbeitungsarten Fälle ein, in
denen der durch diese RF-Vorspannung bestimmte optimale Wert (Mittelwert) des
schwebenden Potentials nicht dem optimalen Wert (Spitzenwert) der
RF-Vorspannung selbst entspricht. Dies bedeutet, daß, wenn der Spitzenwert des
RF-Vorspannungspotentials auf einen Wert eingestellt wird, der einen optimalen Mittelwert des
schwebenden Potentials erzeugt, Fälle auftreten, in denen der Spitzenwert selbst der
RF-Vorspannung einen ungeeigneten Wert darstellt. Infolgedessen wird es
hinsichtlich der Bearbeitungsbedingungen im Moment des Ätzens oder des CVD-Vorgangs
schwierig, gleichzeitig den gewünschten Bearbeitungseigenschaften der
verschiedenen Arten zu entsprechen, so daß ein Problem dahingehend auftritt, daß die
Bearbeitungsergebnisse schwer zu steuern sind. Bei der Erzeugung eines Dünnfilms
gibt es beispielsweise Fälle, in denen, selbst wenn der Spitzenwert der
RF-Vorspannung einen optimalen Wert hinsichtlich der Filmqualität darstellt, die dem Film
auferlegte Belastung übermäßig hoch wird. Entsprechend gibt es bei dem Ätzverfahren
Fälle, in denen, selbst wenn der Spitzenwert der RF-Vorspannung einen optimalen
Wert für die Verbesserung der Anisotropie darstellt, die Beschädigung an der
Substratoberfläche durch das Zerstäuben der Ionen von dem Plasma erheblich ist.
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Um die unter Punkt 1. genannten Schwierigkeiten durch Bereitstellung einer
CVD-Vorrichtung für den ECR-Plasmaätzvorgang zu überwinden, wurde die Verwendung des in
Figur 10 dargestellten Geräts vorgeschlagen (siehe GB-A-2212974, das JP-A-1236629
entspricht, oder das japanische Patent Nr. 275786/1988). Die Anordnung und der
Betrieb dieses Geräts werden nachstehend beschrieben.
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Die in Figur 10 dargestellten Elemente, die mit den in Figur 9 dargestellten identisch
sind, sind mit den gleichen Referenznummern versehen. Nachstehend wird sich nicht
zwangsläufig erneut darauf bezogen.
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Bei der in Figur 10 dargestellten Vorrichtung erfolgt das Anlegen der RF-Vorspannung
an das Substrat 11 durch einen Synchronisierungsimpulserzeugungskreis 22 synchron mit
den Impulsen der Mikrowellen. Während der Zeitintervalle, in denen keine Mikrowellen
während der Impulszyklen der Mikrowellen erzeugt werden, wird die RF-Vorspannung
nicht an das Substrat angelegt.
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Mit diesem Gerät ist es also möglich, die unter 1. genannten Schwierigkeiten mit der in
Figur 9 dargestellten Vorrichtung zu überwinden, d.h. das Problem, daß eine Entladung
an der Substratoberfläche stattfindet und zu Querrissen führende Mulden an der
Substratoberfläche auftreten, wenn eine hohe Spannung kontinuierlich an das Substrat
angelegt wird.
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Problem 2 mit der in Figur 9 dargestellten Vorrichtung kann jedoch nicht durch die in
Figur 10 dargestellte CVD-Vorrichtung für den ECR-Plasmaätzvorgang gelöst werden.
Es folgt eine detailliertere Beschreibung dieses Problems.
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Wie oben bereits beschrieben, wird Plasma nur erzeugt, wenn Mikrowellen der
Plasmaerzeugungskammer zugeführt werden. Somit wird die RF-Vorspannung nur
angelegt, wenn das Plasma in den Impulszyklen der Mikrowellen erzeugt wird, wobei eine
Impedanzanpassung mit dem als Ladung wirkenden Plasma erfolgt und eine geeignete
Spannung an das Substrat angelegt wird.
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Bei der in Figur 10 dargestellten Vorrichtung ist die Impulslänge (d.h. Dauer) für das
Anlegen der RF-Vorspannung jedoch identisch mit der Impulslänge (d.h. Dauer) der
Mikrowellenimpulse. Weiterhin ist die Größe fest. Wenn dann beispielsweise der
Versuch unternommen wird, die an das Substrat anzulegende RF-Vorspannung zwecks
Erhalt der gewünschten Filmqualität zu erhöhen, führt dies zu einer Hochspannung, die
von dem RF-Generator für eine Dauer abgegeben wird, die mit der Impulsdauer der
Mikrowellenimpulse identisch ist.
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Es gibt jedoch, wie bereits erwähnt, Fälle, in denen der optimale Mittelwert des durch die
RF-Vorspannung bestimmten schwebenden Potentials nicht dem optimalen Spitzenwert
der RF-Vorspannung selbst entspricht. Die RF-Vorspannung selbst hat aus diesem
Grund bei der in Figur 10 dargestellten Anordnung, in der die RF-Vorspannung mit
fester Größe für die gleiche Impulsdauer wie für die Mikrowellenimpulse erzeugt wird,
obgleich diese ein Optimum für die Herstellung eines gegebenen schwebenden Potentials
sein kann, einen Spitzenwert, der größer ist als der optimale Wert und der für einen
bedeutend längeren Zeitraum als erforderlich angelegt werden muß. Folglich ist es
unmöglich, gleichzeitig die gewünschten Bearbeitungsbedingungen der verschiedenen
Typen zu erfüllen. Ein spezifisches Beispiel wird nachstehend beschrieben.
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Bei der Bildung eines Dünnfilms auf dem Substrat, um beispielsweise die stufenweise
Ausbreitung der abgestuften Bereiche der Substratoberfläche zu verbessern, ist es
erforderlich, die anzulegende RF-Vorspannung zu erhöhen, die Größe des auf dem Substrat
erzeugten schwebenden Potentials über einen bestimmten Schwellenwert festzulegen und
einen Dünnfilm an den Seitenwänden der abgestuften Bereiche mittels
Zerstäubungseffekt unter Verwendung von Ionen anzubringen. Wie jedoch zuvor erwähnt, ist der
Wert des durch die RF-Vorspannung bestimmten und für die Ionenbeschleunigung in
dem Zerstäubungsprozess verwendeten schwebenden Potentials ein zeitlicher Mittelwert.
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Demgegenüber hat das momentane Potential, das tatsächlich an dem Substrat in
Erscheinung tritt, eine relativ große Spitzenamplitude. Wird folglich der Versuch unternommen,
den Spitzenwert der RF-Vorspannung, der mit einer festen Größe für die gleiche
Impulsdauer wie die der Mikrowellenimpulse so angelegt wird, daß er groß genug ist, um einen
ausreichenden Mittelwert des schwebenden Potentials zur Erzeugung des
Zerstäubungseffekts in der sogenannten Scheide zwischen dem Plasma und der
Substratoberfläche zu schaffen, festzusetzen, werden die Elektronen und Ionen wiederholt
beschleunigt und verlangsamt und es kommt zu Unterschieden in der Filmqualität sowie in der
Stärke der dem Film auferlegten Belastung. Wenn folglich die RF-Vorspannung mit einer
großen Amplitude lange genug angelegt wird, weichen die Filmqualität und die dem Film
auferlegte Belastung ungewollt stark von den Idealwerten ab. Insbesondere bei der
Herstellung eines Dünnfilms aus Silikonnitrid ist die Belastung an dem Film möglicherweise
übermäßig stark.
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Ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer
Plasmabearbeitungsvorrichtung und eines Verfahrens, durch das der Mittelwert des schwebenden
Potentials auf einer zu bearbeitenden Substratoberfläche auf einen Sollwert aus einem
breiten Wertbereich eingestellt werden kann und die Filmzusammensetzung, die
Filmqualität und die dem Film auferlegte Belastung selektiv bei der Herstellung eines
Dünnfilms kontrolliert werden können, wohingegen Anisotropie, Filmbeschädigung und
Bearbeitungsgeschwindigkeit selektiv beim Ätzen kontrolliert werden können.
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Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer
Plasmabearbeitungsvorrichtung und eines Verfahrens, das eine geeignete Kontrolle der verschiedenen
Kennzeichen bei der Dünnfilmbildung und dem Ätzvorgang ermöglicht, und insbesondere
die Bereitstellung einer Plasmabearbeitungsvorrichtung und eines Verfahrens, das eine
geeignete Filmzusammensetzung, Filmqualität und eine tolerierbare Belastung des Films
während der Dünnfilmbildung sowie eine vorteilhafte stufenweise Ausbreitung
ermöglicht.
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Gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Gerät zur
Bearbeitung einer Halbleitervorrichtung unter Verwendung von durch Mikrowellen
erzeugtem Plasma vorgesehen, wobei das Gerät eine Plasmaerzeugungskammer aufweist, die
ein Gas und Impulsmikrowellen aufnimmt und mit Elementen zur Erzeugung eines
Magnetfelds in der Kammer versehen ist, um das Plasma durch Resonanzeffekte
zwischen dem Gas und den Mikrowellen zu erzeugen, wobei das Magnetfeld dazu dient,
das Plasma aus der Plasmaerzeugungskammer in eine Bearbeitungskammer zu leiten, die
mit Vorrichtungen zum Tragen eines Substrats auf einer ihrer für die Dünnfilmbildung
oder den Ätzvorgang unter Verwendung des Plasmas angeordneten Oberflächen
versehen ist, und Elemente für das Leeren der Kammern, ein
RF-Vorspannungsgenerator, ein RF-Vorspannungsmodulationskreis, ein CD-Vorspannungsgenerator und ein
CD-Vorspannungsmodulationskreis für die Speisung bzw. unabhängige Justierung einer
RF-Vorspannung und einer DC-Vorspannung, Elemente zum Mischen der beiden
Vorspannungen und zur Zufuhr einer störfreien Kombination der Letzteren zu dem Substrat
sowie Synchronisierungselemente zur Synchronisierung der Vorspannungen mit den
Mikrowellenimpulsen vorgesehen sind.
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Gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur
Bearbeitung einer Halbleitervorrichtung unter Verwendung von durch Mikrowellen
erzeugtem Plasma in dem obengenannten Gerät vorgesehen, bestehend aus den Schritten
der Einspeisung eines Gases und Impulsmikrowellen in eine zuvor geleerte
Plasmaerzeugungskammer und aus einem Magnetfeld in der Kammer, um ein Plasma durch
Resonanzeffekte zwischen dem Gas und den Mikrowellen zu erzeugen, wobei das Magnetfeld
dazu dient, das Plasma aus der Plasmaerzeugungskammer in eine zuvor geleerte
Bearbeitungskammer zu leiten, in der ein Substrat in der Bearbeitungskammer von einer der
für die Dünnfilmbildung oder den Ätzvorgang unter Verwendung des Plasmas
angeordneten Oberflächen getragen wird, der Einspeisung und unabhängigen Justierung einer
RF-Vorspannung und einer DC-Vorspannung, des Mischens der beiden Vorspannungen,
der Erzeugung einer störfreien Kombination der Letzteren mit dem Substrat und der
Synchronisierung der Vorspannungen mit den Mikrowellenimpulsen.
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Gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Gerät zur
Bearbeitung einer Halbleitervorrichtung unter Verwendung von durch Mikrowellen
erzeugtem Plasma vorgesehen, wobei das Gerät eine Plasmaerzeugungskammer aufweist, die
ein Gas und Impulsmikrowellen auffnimmt und mit Elementen zur Erzeugung eines
Magnetfelds in der Kammer versehen ist, um das Plasma durch Resonanzeffekte
zwischen dem Gas und den Mikrowellen zu erzeugen, wobei das Magnetfeld dazu dient,
das Plasma aus der Plasmaerzeugungskammer in eine Bearbeitungskammer zu leiten, die
mit Vorrichtungen zum Tragen eines Substrats auf einer ihrer für die Dünnfilmbildung
oder den Ätzvorgang unter Verwendung des Plasmas angeordneten Oberflächen
versehen ist, und Elemente für das Leeren der Kammern, ein RF-Vorspannungsgenerator
für die Speisung und unabhängige Justierung einer RF-Vorspannung, so daß ihre Größe
auf vorbestimmte Art und Weise während eines jeden Mikrowellenimpulses zeitlich
variiert, sowie Synchronisierungselemente zur Synchronisierung der RF-Vorspannung
mit den Mikrowellenimpulsen.
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Gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur
Bearbeitung einer Halbleitervorrichtung unter Verwendung von durch Mikrowellen
erzeugtem Plasma in dem obengenannten Gerät vorgesehen, bestehend aus den Schritten
der Einspeisung eines Gases und Impulsmikrowellen in eine zuvor geleerte
Plasmaerzeugungskammer und aus einem Magnetfeld in der Kammer, um ein Plasma durch
Resonanzeffekte zwischen dem Gas und den Mikrowellen zu erzeugen, wobei das Magnetfeld
dazu dient, das Plasma aus der Plasmaerzeugungskammer in eine zuvor geleerte
Bearbeitungskammer zu leiten, in der ein Substrat in der Bearbeitungskammer von einer der
für die Dünnfilmbildung oder den Ätzvorgang unter Verwendung des Plasmas
angeordneten Oberflächen getragen wird, der Einspeisung und unabhängigen Justierung einer
RF-Vorspannung, so daß ihre Größe auf vorbestimmte Art und Weise während eines
jeden Mikrowellenimpulses zeitlich variiert, und der Synchronisierung der
RF-Vorspannung mit den Mikrowellenimpulsen.
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend anhand von
Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines
Plasmabearbeitungsgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Figur 2 ist ein Blockschaltbild der Synchronisierungselemente zur Verwendung in dem in
Figur 1 dargestellten Gerät.
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Figur 3 ist ein Blockschaltbild eines RF-Vorspannungsmodulationskreises und eines
DC-Vorspannungsmodulationskreises zur Verwendung in dem in Figur 1 dargestellten
Gerät.
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Figur 4(a) und Figur 4(b) sind Schaltbilder der jeweils unterschiedlichen Formen eines
RF/DC-Vorspannungsmischkreises zur Verwendung in dem in Figur 1 dargestellten
Gerät.
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Figur 5 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines
Mikrowellenplasmabearbeitungsgeräts zur Durchführung eines Plasmabearbeitungsverfahrens
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Figur 6 ist ein Blockschaltbild eines RF-Vorspannungsmodulationskreises zur
Verwendung in dem in Figur 5 dargestellten Gerät.
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Figur 7 und Figur 8 zeigen jeweils wellenförmige Diagramme, aus denen die zeitlichen
Abweichungen der RF-Leistungsabgabe des RF-Generators synchron mit den
Impulsmikrowellen hervorgehen.
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Figur 9 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Plasmabearbeitungsgeräts
mit RF-Vorspannung.
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Figur 10 ist eine schematische Darstellung eines früher beantragten
Mikrowellenplasmabearbeitungsgeräts.
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In Figur 1 ist eine erste Ausführung einer CVD-Vorrichtung für den
ECR-Plasmaätzvorgang dargestellt. Die in Figur 1 dargestellten Elemente, die mit denen in Figur 10
identisch sind, haben die gleichen Referenznummern und werden nicht weiter
beschrieben.
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Bei dem in Figur 1 dargestellten Gerät enthält das Synchronisierungselement 40 zum
Synchronisieren der Zeitpunkte, an denen impulsartige Mikrowellen, RF-Vorspannung
und DC-Vorspannung erzeugt werden, einen Kreis 22 zur Erzeugung des
Synchronisierungsimpulses und ein Impulssignalübertragungselement 31.
Der die Synchronisationsimpulse erzeugende Kreis 22 ist in Figur 2 im Detail dargestellt.
Ein Schwingkreis 221 dient zur Erzeugung eines Wechselstroms bei einer Frequenz von
ungefähr 100 Hz. Der Wechselstrom wird mittels eines impulsbildenden Kreises 222 in
Rechteckwellen transformiert.
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Die Rechteckwellen werden über das Impulssignalübertragungselement 31 (siehe Figur
1) zu einem Mikrowellengenerator 17 über einen Ausgangspuffer 223 (siehe Figur 2)
übertragen, der eine Stromverstärkungsfunktion ausübt und Operationsverstärker und
einen IC (integrierter Schaltkreis) aufweist, wodurch Mikrowellen erzeugt werden.
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Gleichzeitig werden die Rechteckwellen einem RF-Vorspannungsmodulationskreis 23
und einem DC-Vorspannungsmodulationskreis 33 zugeführt, und die Sollwellenformen,
d.h. RF-Vorspannung und DC-Vorspannung haben jeweils eine ausgewählte Größe,
werden entsprechend von dem RF-Generator 20 und dem DC-Generator 32 gleichzeitig
mit den Mikrowellen und in Abhängigkeit mit der Leistungsabgabe der
Modulationskreise 22, 23 abgegeben.
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Der RF-Vorspannungsmodulationskreis 23 und der DC-Vorspannungsmodulationskreis
33 werden beide durch eine in Figur 3 abgebildete Kreiskonfiguration erzeugt.
Insbesondere durch Einspeisung von Rechteckwellen in eine Triggerschaltung 27 wird der
Vorspannungsmodulationskreis in Betrieb gesetzt. Vorab in einen Einstellkreis 28
eingegebene Daten werden als elektrisches Signal über einen Modulationskreis 29 dem
RF-Generator 20 oder dem DC-Generator 32, in den folgenden Stufen über einen
Ausgangskreis 30, zugeführt. Dann wird eine Sollwellenform, d.h. eine Vorspannung mit
Sollgröße, durch den RF-Generator 20 bzw. den DC-Generator 32 gleichzeitig mit den
Mikrowellen erzeugt und einem RF/DC-Vorspannungsmischkreis 41 zugeführt.
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Bei der in Figur 4(a) dargestellten Form ist der RF/DC-Vorspannungsmischkreis 41 als
Induktanz L1 angeordnet, dessen eingabeseitiger Anschlußpunkt 41a mit einem
Ausgabeanschlußpunkt des DC-Generators 32 verbunden ist und dessen ausgabeseitiger
Anschlußpunkt 41b mit einem Ausgabeanschlußpunkt des RF-Generators 20 über einen
Eingabeanschlußpunkt 41c des Kreises 41 verbunden ist.
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Bei der zweiten in Figur 4(b) dargestellten Form ist der RF/DC-Mischkreis 41 als
paralleler Resonanzkreis angeordnet, der bei der Frequenz der RF-Wellen in Resonanz
kommt und eine Induktanz L2 sowie einen Kondensator C2 anstelle der Induktanz L1
aufweist. Der RF/DC-Vorspannungsmischkreis 41 dient zur störungsfreien Zuführ der
DC-Vorspannung und der RF-Vorspannung zu dem Substrat.
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Durch die Verwendung der obenbeschriebenen Konfiguration in dem
Plasmabearbeitungsgerät dieser Ausführungsform ist es möglich, die RF-Vorspannung und die
DC-Vorspannung unabhängig voneinander zu steuern. Weiterhin ist es nunmehr möglich,
den Mittelwert des schwebenden Potentials unabhängig von dem Spitzenwert der
RF-Vorspannung zu steuern.
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Durch gleichzeitiges Anlegen der RF-Vorspannung und der DC-Vorspannung an das
Substrat ist es möglich, nicht nur die gewünschten Bearbeitungsbedingungen
vorzugeben, sondern auch den Bereich oder den Umfang der Bearbeitungsbedingungen zu
erweitern. Das heißt, wenn die Vorspannung an das Substrat angelegt wird, dieses
Substrat eine Spannung aufweist, die verursacht, daß die Gesamtladung an dem Substrat
Null wird.
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In einem Fall also, bei dem lediglich die RF-Vorspannung als erstes an das Substrat
angelegt wird, selbst wenn Ladungen zu einer Ansammlung auf dem Substrat aufgrund
des Mobilitätsunterschieds zwischen den das Substrat erreichenden positivgeladenen
Partikeln und negativgeladenen Partikeln neigen, bewegt sich die Mitte (Mittelwert) der
Wellenform des schwingenden Potentials auf dem Substrat derart, daß diese
Ansammlung Null wird. Dieses mittlere (Mittelwert) Potential, d.h. das schwebende Potential,
variiert je nach Größe der RF-Vorspannung und hängt ebenfalls von der Impedanz des
Plasmas ab. Wenn die DC-Vorspannung weiter an das Substrat, dessen schwebendes
Potential auf diese Art und Weise bestimmt ist, angelegt wird, bewegt sich das
schwebende Potential des Substrats derart weiter, daß die angesammelten Ladungen durch
Anlegen dieser DC-Vorspannung Null werden. Entsprechend wird es durch unabhängige
Änderung der jeweiligen Größen der DC-Vorspannung und der RF-Vorspannung
möglich, den Wert des schwebenden Potentials über einen breiten Bereich zu steuern, was
dazu führt, daß es möglich ist, den Bereich der Bearbeitungsbedingungen für Filmbildung
oder Ätzvorgang auszudehnen.
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Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß, wenn das schwebende Potential durch die
RF-Vorspannung bestimmt wird, das von den in den Bearbeitungsprozeß des Substrats
einbezogenen Ionen wahrgenommene schwebende Potential einen zeitlichen Mittelwert
darstellt. In dem Fall, in dem die RF-Vorspannung mit beispielsweise hoher Amplitude
(Spitze) an die Substratoberfläche angelegt wird, und da es hinsichtlich der
verschiedenen
Bearbeitungsmerkmale Fälle gibt, in denen ein optimaler Wert (Spitzenwert) der
RF-Vorspannung und ein optimaler Wert (Mittelwert) des schwebenden Potentials, das
durch das Anlegen der RF-Vorspannung zu bestimmen ist, miteinander nicht
übereinstimmen, können die Filmqualität und andere Kennzeichen nachteilig durch die
RF-Vorspannung mit einer derart großen Spitze beeinträchtigt werden.
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Wenn jedoch gleichzeitig eine DC-Vorspannung angelegt wird, kann der Mittelwert des
schwebenden Potentials unabhängig von der RF-Vorspannung dank der Wirkung der
DC-Vorspannung in sich selbst verschoben werden. Dementsprechend ist es durch
Anlegen einer RF-Vorspannung mit geringem Spitzenwert möglich, ein schwebendes
Potential (Mittelwert) zu erzeugen, das dem Fall entspricht, in dem eine RF-Vorspannung mit
großem Spitzenwert angelegt wird. Umgekehrt ist es möglich, den Wert (Mittelwert) des
schwebenden Potentials zu verkleinern, wenn eine RF-Vorspannung mit großem
Spitzenwert angelegt werden soll. Somit können sowohl der Mittelwert des
schwebenden Potentials als auch der Spitzenwert der RF-Vorspannung gleichzeitig optimale Werte
erhalten.
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Wenn darüber hinaus die Synchronisierung mit Impulsmikrowellen allein für die
RF-Vorspannung erfolgt und die DC-Vorspannung kontinuierlich an das Substrat
angelegt wird, würde das Potential des Substrats sich genauso bewegen, wie bei einem
Anlegen der RF-Vorspannung, wenn kein Plasma erzeugt wird, so daß es Fälle gibt, in
denen die Substratoberfläche je nach Größe der DC-Vorspannung beschädigt werden
kann. Dies führt folglich zu dem Problem, daß die Größe der an das Substrat angelegten
DC-Vorspannung eingeschränkt ist, was wiederum ungewollte Einschränkungen der
Bearbeitungsbedingungen zur Folge hat. Wenn jedoch sowohl die RF-Vorspannung als
auch die DC-Vorspannung synchron mit den Impulsmikrowellen angelegt werden und
weder RF-Vorspannung noch DC-Vorspannung an das Substrat angelegt werden, wenn
kein Plasma in der Plasmaerzeugungskammer vorhanden ist, können Beschädigungen an
der Substratoberfläche vermieden werden.
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In Figur 5 ist eine Ausführungsform eines Mikrowellen-Plasmabearbeitungsgeräts zur
Durchführung eines Plasmabearbeitungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Die in Figur 5 dargestellten Elemente, die mit denen in Figur 10 identisch
sind, haben die gleichen Referenznummern und werden nicht weiter beschrieben.
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Ein den Synchronisierungsimpuls erzeugender Kreis 22 zum Synchronisieren des
Anlegens der RF-Vorspannung an das Substrat 11 mit den Impulsmikrowellen entspricht dem
in Figur 2 dargestellten und überträgt Rechteckwellen zu dem Mikrowellengenerator 17
und dem RF-Vorspannungsmodulationskreis 23 über die Ausgangspuffer 223. Eine
Spannung, deren Größe wie vorgegeben zeitlich variiert, wird von dem
RF-Vorspannungsmodulationskreis 23 abgegeben und dem RF-Generator 20 zugeführt, um eine
modulierte RF-Spannung zu erzeugen, deren Größe sich entsprechend der
Eingangsspannung ändert.
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Wie in Figur 6 dargestellt, enthält der RF-Vorspannungsmodulationskreis 23 den
Triggerkreis 27, einen das Modulationssignal erzeugenden Kreis 28a, einen
Modulationskreis 29 und einen Ausgangskreis 30. Durch Einspeisung der Rechteckwellen von
dem den Synchronisierungsimpuls erzeugenden Kreis 22 in den Triggerkreis 27 wird der
das Modulationssignal erzeugende Kreis 28a synchron mit den Mikrowellenimpulsen in
Betrieb gesetzt und eine Signalspannung, deren Größe wie vorgegeben zeitlich variiert,
wird dem Modulationskreis 29 zugeführt. Die durch den Modulationskreis 29 gebildete
Wellenform wird dem RF-Generator 20 über Ausgangskreis 30 zugeführt, der eine
stromverstärkende Funktion ausübt, und die RF-Spannung, deren Größe wie vorgegeben
zeitlich synchron mit den Mikrowellenimpulsen variiert, wird von dem RF-Generator 20
abgegeben. Es ist anzumerken, daß der in Figur 6 dargestellte
RF-Vorspannungsmodulationskreis leicht von dem in Figur 3 dargestellten abweicht und in der Lage ist, die
Wellenform der RF-Spannung durch die Funktion des das Modulationssignal
erzeugenden Kreises 28a komplexer zu machen.
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Figur 7 und Figur 8 sind Beispiele dafür, wie die RF-Leistungsabgabe des RF-Generators
20 synchron mit den Mikrowellenimpulsen variieren kann.
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Figur 7 stellt einen Fall dar, in dem ein Dünnfilm auf der Substratoberfläche durch die
Abgabe elektrischer Leistung von dem RF-Generator 20 gebildet wird. Ein Basispegel
PO der elektrischen RF-Leistung, die für eine vorgegebene Filmbildungsgeschwindigkeit
erforderlich ist, erreicht für kurze Zeit während des Zeitintervalls Spitzenleistung P&sub1;,
wenn Mikrowellen in jedem Impulszyklus der Impulsmikrowellen erzeugt werden.
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Wenn ein Spitzenleistungspegel P&sub1; mit hohem Scheitelwert (einem Wert, der den
Zerstäubungseffekt ermöglicht) abgegeben wird, wird eine hohe RF-Vorspannung an
das Substrat 11 angelegt, was zur Folge hat, daß das schwebende Potential auf dem
Substrat während der Zeit groß wird, in der der Spitzenleistungspegel P&sub1; vorhanden ist.
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Folglich unterliegt die Dünnfilmsubstanz, die sich auf den abgestuften Bereichen derart
abgelagert hat, daß sie seitlich über die Oberflächen der überstehenden Bereiche
hinausragt, der Zerstäubung unter Verwendung von in dem Plasma enthaltenen Ionen oder
unter Verwendung einer aktiven durch die Ionen beschleunigten Spezies. Die Bildung
des Dünnfilms auf den vertieften Bereichen und den Seitenwandbereichen erfolgt somit
ohne Behinderung durch die seitlich überstehenden Ablagerungen auf den überstehenden
Bereichen.
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So ist es möglich, einen Dünnfilm mit einheitlicher Filmdicke und ausgezeichneter
stufenweiser Ausbreitung über die Gesamtheit der abgestuften Bereiche und
Seitenwandoberflächen zu bilden, ohne dabei die mittlere Leistungsabgabe des RF-Generators
20 zu erhöhen. Daher ist es durch die Verwendung des Geräts und Verfahrens der
vorliegenden Erfindung ohne weiteres möglich, einen Silikon-Nitrid-Film (als Isolierfilm,
Passivierungsfilm oder ähnlichen Film) zu bilden, bei dem das Problem der Filmbelastung
besonders spürbar ist, wenn die für die Erzeugung des Zerstäubungseffekts erforderliche
RF-Vorspannung ständig dem Substrat zugeführt wird.
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Da darüber hinaus das Anlegen der RF-Vorspannung an das Substrat 11 in dem
Zeitintervall erfolgt, in dem die Mikrowellen erzeugt werden, wird das Auftreten einer hohen
Spannung durch falsche Impedanzanpassung an der Substratoberfläche vermieden, so
daß eine Entladung an der Substratoberfläche und eine Beschädigung der
Substratoberfläche nicht eintritt.
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Figur 8 stellt einen Fall dar, in dem die RF-Leistung, die während des die Mikrowellen
erzeugenden Zeitintervalls eines jeden Mikrowellenimpulszyklusses erzeugt wird, schräg
ansteigt und mit der Zeit allmählich abgeschwächt wird. Durch Verwendung einer
solchen Wellenform ist es möglich, die Ungleichheit der RF-Vorspannung durch die
Abschrägung zu vermeiden, die durch den DC-Schnittkondensator verursacht wird (in
Figur 5 nicht besonders dargestellt), der zwischen die Substrathalteplatte 10 und den
RF-Generator 20 geschaltet ist. So ist es möglich, einen Film unter Bedingungen
herzustellen, die im wesentlichen keine ungewollten Variationen aufweisen.
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Weiterhin ist es so möglich, den Bereich der Bearbeitungsbedingungen unter
gleichzeitiger Vermeidung einer elektrischen Entladung an dem Substrat durch Anwendung
eines Oberflächenbehandlungsverfahrens zu vergrößern, bei dem die auf das Substrat
anzulegende RF-Vorspannung synchron mit den Impulsmikrowellen erzeugt wird und die
Oberflächenbehandlung erfolgt, während die Größe der RF-Vorspannung zeitlich auf
vorgegebene Art und Weise innerhalb der Impulsdauer der Mikrowellen variiert.
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Während der Substratbearbeitung (z.B. der Filmbildung) kann es sich als unmöglich
herausstellen, selbst wenn die Einspeisung einer RF-Vorspannung mit einem großen
Spitzenwert zwecks Erhalt eines ausreichenden schwebenden Potentials (Mittelwert)
wünschenswert ist, ein ausreichendes schwebendes Potential unter der Bedingung zu
erhalten, unter der die RF-Vorspannung tatsächlich angelegt werden kann, so daß Fälle
eintreten, in denen die gewünschte Filmqualität nicht erreicht werden kann. Wenn eine
RF-Vorspannung mit einer Spitzenwertdauer angelegt wird, die kürzer ist, als die
Impulsdauer der Mikrowellen, so ist es in solchen Fällen möglich, eine RF-Vorspannung
mit großem Spitzenwert ohne Erhöhung der durchschnittlich angelegten elektrischen
Leistung anzulegen.
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Beispielsweise kann sich eine Dünnfilmsubstanz auf gerillten Eingangsoberflächen derart
ablagern, daß die Rilleneingänge blockiert werden und die Bildung eines dichten Films an
den Seitenoberflächen der Rillen mit Submikron-Dicke vermieden wird. Bei Verwendung
der RF-Vorspannung mit kurzem hohem Spitzenwert, können derartige Ablagerungen
jedoch in die Rillen zerstäubt werden, wodurch es ermöglicht wird, die Filmqualität ohne
Erhöhung der von dem RF-Generator zugeführten durchschnittlichen elektrischen
Leistung zu verbessern.
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Um anders ausgedrückt dem Dünnfilm eine Ablagerung mit guter stufenweiser
Ausbreitung an den Seitenoberflächen der Rillen, d.h. den abgestuften Bereichen, zu
ermöglichen, ist es erforderlich, eine RF-Vorspannung mit einem großen Spitzenwert
einzuspeisen, um den Mittelwert zeitlich mit dem schwebenden Potential zwecks Verstärkung
des Ionenzerstäubungseffekts zu erhöhen. Der Zerstäubungseffekt entsteht jedoch erst,
wenn Ionen durch die Beschleunigungsspannung (in diesem Fall entspricht das
schwebende Potential der Beschleunigungsspannung) über einen bestimmten Schwellenwert
beschleunigt werden. Dieser Schwellenwert beträgt mehrere zehn Volt, obgleich er je
nach dem zu zerstäubenden Material variiert. Wenn eine RF-Vorspannung mit einer
Größe, für die dieser Zerstäubungseffekt ausreicht, kontinuierlich auf das Substrat
angelegt wird, treten Fälle ein, in denen die dem Film auferlegte Belastung bezeichnend wird.
Ein ausreichender Zerstäubungseffekt kann jedoch ohne ungewollt hohe Beanspruchung
erzielt werden, wenn die durchschnittliche elektrische Leistung für die RF-Vorspannung
auf einem niedrigen Niveau gehalten wird und der Spitzenwert der RF-Vorspannung nur
für eine relativ kurze Zeit während eines jeden Mikrowellenimpulses erhöht wird, so daß
der zeitliche Mittelwert des schwebenden Potentials lediglich während dieser kurzen
Zeitspanne groß ist.
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So ist es möglich, die Filmqualität ohne Beschädigung der Substratoberfläche oder
Erhöhung des Mittelwerts der RF-Leistung zu steuern, so daß die Bearbeitungsbedingungen
optimiert werden können.
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Die CVD-Vorrichtung für den ECR-Plasmaätzvorgang ist so angeordnet, daß sie
Gleichstromerzeugungselemente zum Anlegen einer Gleichstromvorspannung zusätzlich
zu der RF-Vorspannung enthält. Die Vorrichtung hat Synchronisierungselemente zum
Synchronisieren der Zeitpunkte, an denen die impulsartigen Mikrowellen, die
RF-Vorspannung und die DC-Vorspannung erzeugt werden. Die Vorrichtung weist ebenfalls
Mischelemente zum störungsfreien Anlegen der RF-Vorspannung und der
DC-Vorspannung an das Substrat auf, wobei die Anordnung derart ist, daß die RF-Vorspannung und
die DC-Vorspannung an das Substrat synchron mit den impulsartigen Mikrowellen
angelegt werden. Daher werden sowohl die RF-Vorspannung als auch die
DC-Vorspannung nur dann an das Substrat angelegt, wenn die Mikrowellen in die
Plasmaerzeugungskammer eingeführt werden und das Plasma erzeugt wird, wodurch eine
Beschädigung der Substratoberfläche vermieden wird. Weiterhin ist es möglich, das schwebende
Potential auf dem Substrat durch unabhängige Justierung der jeweiligen Größen der
RF-Vorspannung und der DC-Vorspannung zu steuern, so daß es möglich ist, die
Bearbeitungsbedingungen für die Dünnfilmbildung oder den Ätzvorgang über einen
großen Bereich zu variieren. So wird eine Substratbearbeitung unter optimalen
Bedingungen möglich.
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Dementsprechend ist es bei der Bildung eines Dünnfilms gleichzeitig möglich, Faktoren
wie Filmzusammensetzung, Filmqualität, dem Film auferlegte Belastung, Erhalt der
gewünschten Eigenschaften, zu kontrollieren. Bei dem Ätzvorgang ist es darüber hinaus
möglich, gleichzeitig die Anisotropie, die Filmbeschädigung und die
Bearbeitungsgeschwindigkeit wunschgemäß zu steuern.
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Somit ist es möglich, einen Dünnfilm mit ausgezeichneter stufenweiser Ausbreitung
durch den Zerstäubungseffekt unter Währung der gewünschten Eigenschaften
hinsichtlich der Filmqualität und der dem Film auferlegten Belastung zu erzeugen.