DE9421671U1 - Discharge chamber for a plasma etching system in semiconductor production - Google Patents
Discharge chamber for a plasma etching system in semiconductor productionInfo
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Description
GH 94 G Ö041 , ....GH 94 G Ö041 , ....
BeschreibungDescription
Entladungskaitimer für eine Plasmaätzanlage in der Halbleiterfertigung
5Discharge catimer for a plasma etching system in semiconductor production
5
Die Erfindung betrifft eine Entladungskaitimer für eine bei der Fertigung integrierter Halbleiterschaltungen eingesetzte Plasmaätzanlage. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung bestimmter Werkstoffe als ätzgasresistentes Wandmaterial für eine derartige Entladungskammer.The invention relates to a discharge chamber for a plasma etching system used in the manufacture of integrated semiconductor circuits. The invention also relates to the use of certain materials as etching gas-resistant wall material for such a discharge chamber.
Zur Strukturierung von dünnen Schichten werden in der Halbleitertechnologie gegenwärtig hauptsächlich plasmaunterstützte Trockenätzverfahren verwendet. Bei diesen Verfahren wird durch einen Generator, der zumeist im Hochfrequenzbereich arbeitet, in einem Reaktor, der von einem Ätzgas durchströmt wird, ein Plasma erzeugt. Im Plasma befinden sich im allgemeinen ungeladene Ätzgasteilchen, ionisierte Ätzgasspezies sowie hochreaktive neutrale Fragmente (Radikale) des Ätzgases. Die bekannten plasmaunterstützten Ätzverfahren lassen 0 sich im wesentlichen in die folgenden zwei Kategorien einteilen: To structure thin layers, plasma-assisted dry etching processes are currently mainly used in semiconductor technology. In these processes, a plasma is generated by a generator, which usually operates in the high frequency range, in a reactor through which an etching gas flows. The plasma generally contains uncharged etching gas particles, ionized etching gas species and highly reactive neutral fragments (radicals) of the etching gas. The known plasma-assisted etching processes can essentially be divided into the following two categories:
Während RIE(Reactive Ion Etching)-Prozesse zumeist auf die ionisierten Ätzgasspezies zurückgreifen, die in einem elektrischen Feld auf den zu strukturierenden Wafer hin beschleunigt werden, verwenden Downstream-Verfahren nur Radikale zum Materialabtrag. Da die Ätzreaktion bei Downstream-Anlagen spontan erfolgen muß, werden hauptsächlich fluorhaltige Ätzgase eingesetzt. Durch das Fehlen von beschleunigten Teilchen, die mit hoher Energie auf das Substrat aufprallen, wird 0 ein sehr schonender Materialabtrag erreicht und die vorhandene Schicht nicht beschädigt (damagefreie Ätzung). Ferner können Schichten sehr selektiv zueinander entfernt werden, d.h. eine Schicht wird vollständig entfernt, während die darunterliegende nicht angegriffen wird. Der Nachteil der Down-While RIE (Reactive Ion Etching) processes mostly rely on ionized etching gas species that are accelerated in an electric field towards the wafer to be structured, downstream processes only use radicals to remove material. Since the etching reaction in downstream systems must occur spontaneously, fluorine-containing etching gases are mainly used. Due to the absence of accelerated particles that impact the substrate with high energy, very gentle material removal is achieved and the existing layer is not damaged (damage-free etching). Furthermore, layers can be removed very selectively from one another, i.e. one layer is completely removed while the one below is not attacked. The disadvantage of downstream
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2
stream- gegenüber den RIE-Verfahren liegt allerdings darin,2
stream compared to RIE procedures is that
daß die Ätzung vollständig isotrop ist, d.h. der Ätzangriffthat the etching is completely isotropic, i.e. the etching attack
hat keine Vorzugsrichtung. Die Struktur einer Ätzmaske kannhas no preferred direction. The structure of an etching mask can
somit nicht 1 zu 1 auf die darunterliegende Schicht übertragen werden.therefore cannot be transferred 1:1 to the layer below.
Um den Beschüß mit hochenergetischen Teilchen zu vermeiden, muß die Plasmaerzeugung örtlich vom Reaktor getrennt werden. In der bekannten technischen Ausführung des Downstream-Verfahrens wird dazu das Plasma und damit die benötigten Radika-Ie in einer speziellen Entladungskammer erzeugt, von der die Radikale in die eigentliche Ätzkammer geleitet werden, in der sich die zu strukturierenden Scheiben befinden. Die Entladungskammer ist zumeist als ein Rohr ausgeführt, in das die vom RF-Generator erzeugte Leistung eingekoppelt wird. Die große Schwierigkeit bei der Realisierung einer solchen Entladungskammer oder eines Entladungsrohres liegt bei allen Plasmaätzanlagen in der Materialauswahl. Das verwendete Material muß für die eingekoppelte Hochfrequenzleistung durchlässig sein, d.h. es können keine metallischen Werkstoffe eingesetzt werden. Da die Entladungskammer gegen die zumeist sehr aggressiven Radikale des Ätzgases resistent sein muß, ist auch der Einsatz von Kunststoffen zweifelhaft. Eine weitere Anforderung an die Entladungskammer ist eine Temperaturbeständigkeit bis etwa 1000 0C, die aufgrund der Erhitzung der Entladungskammer beim Betrieb notwendig ist.In order to avoid bombardment with high-energy particles, the plasma generation must be separated from the reactor. In the known technical design of the downstream process, the plasma and thus the required radicals are generated in a special discharge chamber, from which the radicals are guided into the actual etching chamber, in which the disks to be structured are located. The discharge chamber is usually designed as a tube into which the power generated by the RF generator is coupled. The great difficulty in realizing such a discharge chamber or discharge tube in all plasma etching systems lies in the choice of material. The material used must be permeable to the coupled high-frequency power, i.e. no metallic materials can be used. Since the discharge chamber must be resistant to the usually very aggressive radicals of the etching gas, the use of plastics is also questionable. A further requirement for the discharge chamber is temperature resistance up to about 1000 ° C, which is necessary due to the heating of the discharge chamber during operation.
Gegenwärtig werden Entladungskammern bzw.-rohre zumeist aus Quarz (SiC>2) gefertigt. S1O2 ist für die RF-Leistung durchlässig und ausreichend hitzebeständig. Es weist aber nur eine eher ungenügende Resistenz gegen die aggressiven Ätzgasradikale auf. In den Anlagen muß deshalb das Entladungsrohr nach wenigen Betriebsstunden wegen Verschleiß (Materialabtrag) ausgetauscht werden.Currently, discharge chambers and tubes are mostly made of quartz (SiC>2). S1O2 is permeable to RF power and sufficiently heat-resistant. However, it has only a rather insufficient resistance to the aggressive etching gas radicals. In the systems, the discharge tube therefore has to be replaced after a few hours of operation due to wear (material removal).
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3
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Entladungskammer der eingangs angegebenen Art zu schaffen,
die alle genannten Anforderungen an eine derartige Entladungskammer erfüllt und die insbesondere ätzgasresistenter
als die bekannten Entladungskammern ist.3
The present invention is therefore based on the object of creating a discharge chamber of the type specified at the outset which meets all the requirements mentioned for such a discharge chamber and which is in particular more resistant to etching gases than the known discharge chambers.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Entladungskammer aus einem keramischen Werkstoff oder einem einkristallinen Material mit der gleichen chemischen Zusammensetzung wie der keramische Werkstoff besteht.This task is solved by the discharge chamber being made of a ceramic material or a single-crystal material with the same chemical composition as the ceramic material.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des folgenden Ausführungsbeispiels, daß die isotropen Trockenätzanlagen CDE VII und CDE VIII der Firma Tylan-Tokuda herangezieht, noch näher erläutert, ohne das die Erfindung auf diesen Anlagentyp beschränkt wäre.Further developments of the invention are the subject of subclaims. The advantages and details of the invention are explained in more detail using the following exemplary embodiment, which uses the isotropic dry etching systems CDE VII and CDE VIII from Tylan-Tokuda, without the invention being limited to this type of system.
Bei den bekannten auf dem Markt befindlichen Anlagen wird das Prozeßplasma in speziellen Entladungsrohren aus Quarz erzeugt und strömt über eine etwa 1 m lange U-förmige Leitung in die Ätzkammer. Die Quarzrohre haben eine Länge von 700 mm, einen Außendurchmesser von 38 mm und einen Innendurchmesser von 29 mm. Die Wandstärke beträgt folglich 4.5 mm. Aufgrund der geringen Resistenz von Quarz gegenüber den verwendeten fluorhalt igen Ätzgasen ist das Entladungsrohr nach nur 10 Plasmastunden zu wechseln. Da der Materialabtrag hauptsächlich an einer bestimmten Stelle erfolgt, ist es möglich das Rohr nach dem Ausbau zu reinigen und um 90 ° gedreht wieder einzubauen. Bei symmetrischen Einbau des Rohres (Einkoppelstelle in der Mitte) muß nach 40 und bei asymmetrischen Einbau nach 80 Plasmastunden ein neues Rohr verwendet werden. Mit jeder Reinigung ist ein erheblicher Aufwand an Arbeitszeit und Prozeßkontrollen verbunden. Desweiteren wird die Up-time der Anlage vermindert. Die dadurch anfallenden Kosten sind beträchtlich.In the well-known systems on the market, the process plasma is generated in special quartz discharge tubes and flows into the etching chamber via a U-shaped line approximately 1 m long. The quartz tubes are 700 mm long, have an external diameter of 38 mm and an internal diameter of 29 mm. The wall thickness is therefore 4.5 mm. Due to the low resistance of quartz to the fluorine-containing etching gases used, the discharge tube must be replaced after only 10 plasma hours. Since the material removal mainly takes place at a specific point, it is possible to clean the tube after removal and reinstall it rotated by 90 °. If the tube is installed symmetrically (coupling point in the middle), a new tube must be used after 40 plasma hours and if it is installed asymmetrically, after 80 plasma hours. Every cleaning involves a considerable amount of working time and process controls. Furthermore, the uptime of the system is reduced. The resulting costs are considerable.
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Bei Versuchen mit verschiedensten Materialien konnte gezeigt werden, daß keramische Werkstoffe am geeignetsten sind hinsichtlich
gleichzeitiger Ätzgasresistenz, Hitzebeständigkeit und Durchlässigkeit für RF-Leistung. Ferner können auch einkristalline
Materialien verwendet werden, die die gleiche chemische Zusammensetzung wie die Keramik besitzen. Als besonders
geeignet erwies sich Aluminiumoxid (AI2O3) . Zur Herstellung
der Keramik werden Aluminiumoxidkügelchen unter hohem Druck und Temperatur gepreßt. Die einkristalline Modifikation
(a-A^Oß Korund; bzw., bei Dotierung mit Metalloxiden,
Saphir oder Rubin) wird zum Beispiel durch Zonenziehen aus der Schmelze gewonnen. Beim Test von Al2&Ogr;3-Keramikrohren
konnte die Resistenz gegen Ätzgasradikale und die Temperaturbeständigkeit nachgewiesen werden.4
Tests with a wide range of materials have shown that ceramic materials are the most suitable in terms of simultaneous etching gas resistance, heat resistance and permeability for RF power. Furthermore, monocrystalline materials can be used that have the same chemical composition as the ceramic. Aluminium oxide (AI2O3) proved to be particularly suitable. To produce the ceramic, aluminium oxide beads are pressed under high pressure and temperature. The monocrystalline modification (aA^Oß corundum; or, when doped with metal oxides, sapphire or ruby) is obtained from the melt by zone pulling, for example. When testing Al2&Ogr;3 ceramic tubes, the resistance to etching gas radicals and the temperature resistance were demonstrated.
Es hat sich jedoch herausgestellt, daß es nicht möglich ist, Keramikentladungsrohre mit den gleichen Abmessungen wie bei den Quarzrohren zu verwenden.However, it has been found that it is not possible to use ceramic discharge tubes with the same dimensions as the quartz tubes.
Der wichtigste Parameter ist die Wandstärke. Bei unverändert 4.5 mm treten Probleme mit der RF-Einkopplung (zu hohe reflektierte Leistung) sowie mit thermischen Spannungen in der Keramik (Risse) auf. Abhilfe bringt eine Verringerung der Wandstärke. Prinzipiell wäre es am günstigsten, möglichst dünne Rohre zu verwenden. Technologisch ist es jedoch aufgrund der 700 mm Rohrlänge äußerst schwierig, Wandstärken erheblich kleiner als 2 mm zu realisieren. Bei 2 mm Wandstärke ist die reflektierte Leistung zwar noch etwas höher als bei den Quarzrohren (3OW im Vergleich zu 2 0 W), lieg aber weit unter der noch tolerierbaren Grenze von 80 W. Thermische Spannungen, die zu Rissen führten, wurden bei 2 mm Wandstärke 0 nicht mehr beobachtet.The most important parameter is the wall thickness. If the wall thickness remains unchanged at 4.5 mm, problems arise with RF coupling (too high reflected power) and with thermal stresses in the ceramic (cracks). This can be remedied by reducing the wall thickness. In principle, it would be best to use tubes that are as thin as possible. However, due to the 700 mm tube length, it is technologically extremely difficult to achieve wall thicknesses significantly smaller than 2 mm. With a wall thickness of 2 mm, the reflected power is still somewhat higher than with the quartz tubes (3 OW compared to 2 0 W), but is well below the tolerable limit of 80 W. Thermal stresses that led to cracks were no longer observed with a wall thickness of 2 mm.
Insgesamt sind deshalb Wandstärken im Bereich von 0,8 bis etwa 3 mm vorteilhaft verwendbar.Overall, wall thicknesses in the range of 0.8 to about 3 mm can therefore be used advantageously.
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Bei der Implementierung von Keramikrohren ist auch zu beachten, daß Keramik eine rauhere Oberfläche als Quarz besitzt. Da das Rohr als Teil eines Vakuumsystems dient, ist es empfehlenswert, geschliffene Rohrenden zu verwenden, auf denen die Dichtungen aufliegen. Die zusätzliche Zündhilfe (Lampe), die bei Quarzrohren verwendet wird, ist bei Keramikrohren nicht sehr wirkungsvoll, da die Keramik nur teilweise transparent ist. Bei dünnen Keramikrohren treten zwar keine Probleme auf, zur Erhöhung der Sicherheit ist es aber möglich,in den Rohrflansch auf der Gaseinlaßseite eine Zündlampe zu installieren. When implementing ceramic pipes, it is also important to note that ceramic has a rougher surface than quartz. Since the pipe is part of a vacuum system, it is recommended to use ground pipe ends on which the seals rest. The additional ignition aid (lamp) used with quartz pipes is not very effective with ceramic pipes because the ceramic is only partially transparent. Although there are no problems with thin ceramic pipes, to increase safety it is possible to install an ignition lamp in the pipe flange on the gas inlet side.
Die Rohre aus Keramik sind minimal 300 h einzusetzen (vgl. h bei Quarzrohren). Längere Einsatzzeiten sind problemlos möglich; bei der üblichen zyklischen vorbeugenden Wartung können die Rohre allerdings präventiv gewechselt werden. Vorteilhaft ist weiterhin, daß die Keramikrohre eine deutlich niedrigere Partikelbelastung als Quarzrohre zeigen, wobei die Partikelreduzierung bis zu 75 % beträgt.The ceramic tubes must be used for a minimum of 300 hours (compare hours for quartz tubes). Longer periods of use are possible without any problem; however, the tubes can be replaced preventively during the usual cyclical preventive maintenance. Another advantage is that the ceramic tubes have a significantly lower particle load than quartz tubes, with the particle reduction being up to 75%.
Als weitere geeignete Materialien können beispielsweise Zirkonoxid {ZrC>2), Magnesiumoxid (MgO), Kalziumoxid (CaO) und Yttriumoxid (Y2O3) als Keramik oder als Einkristall verwendet werden. Die Erfindung ist keineswegs auf die Verwendung traditioneller silicathaltiger Keramiken beschränkt. Es kommen auch keramische Werkstoffe aus Oxiden, Siliciden oder Karbiden der Metalle, wie sie im Rahmen der modernen Pulvermetallurgie durch Pressen und Sintern zu Formkörpern herstellbar sind, oder Borkarbid (B4O oder Siliziumkarbid (SiC) in Frage. Mit den erfindungsgemäß modifizierten Plasmaätzanlagen können auch anisotrope Ätzprozesse oder das Abätzen von Photoresist durchgeführt werden.Other suitable materials include zirconium oxide {ZrO2), magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO) and yttrium oxide (Y2O3) as ceramic or as single crystal. The invention is by no means limited to the use of traditional silicate-containing ceramics. Ceramic materials made of oxides, silicides or carbides of metals, such as those that can be produced in modern powder metallurgy by pressing and sintering to form molded bodies, or boron carbide (B4O or silicon carbide (SiC) are also possible. The plasma etching systems modified according to the invention can also be used to carry out anisotropic etching processes or to etch away photoresist.
Claims (5)
daß die Entladungskammer aus Aluminiumoxid (AI2O3) besteht.2. Discharge chamber for a plasma etching system according to claim 1, characterized in that
that the discharge chamber is made of aluminium oxide (AI2O3).
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Publications (1)
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