NL8701549A - Plasmareactor van het magnetrontype voor hoge-flux plasma-etsen en plasma-depositie. - Google Patents

Description

N.0. 3W9 1 s *

Plasmareactor van het magnetrontype voor hoge-flux plasma-etsen en plasma-depositie.

Aanvraagster noemt als uitvinders: Dr. ÏÏ.J. Hopman en Br. Ir. E.H.A.

Grann^Q^tv£n(j£ng beeft betrekking op een plasmareactor van het magne- 5 trontype voor hoge-flux plasmabewerking van oppervlakken, zoals plasma-etsen en plasma-depositie, omvattende een plasmakamer begrensd door een binnenwand en een in hoofdzaak deze binnenwand op afstand omringende buitenwand, welke binnenwand aan het oppervlak is voorzien van een of meer oplegvlakken voor te bewerken voorwerpen, zoals IC wafels of derge-10 lijke, waarbij de plasmakamer wordt gevuld met het te ioniseren gas, waarbij een in hoofdzaak radiaal verlopend electrisch rf veld (E) tussen binnen- en buitenwand en een in hoofdzaak evenwijdig aan de genoemde oppervlakken verlopend magnetisch dc veld (B) wordt aangelegd, waardoor een bewerking van de genoemde voorwerpen in de (E x B)-type plasma-ont-15 ladingen mogelijk wordt. Een dergelijke plasmareactor is bekend uit het artikel van I. Lin e.a. in "Applied Physics Letters" 44 (1984) blz.

185-187.

Bij de fabricage van VLSI chips in de industrie kan men recentelijk twee trends onderscheiden. Ten eerste de wens om grotere wafels met een 20 diameter van 6 inch of zelfs 8 inch te kunnen behandelen. Hiervoor dient de homogeniteit van het plasma dergelijke afmetingen te kunnen bestrijken. Ten tweede is er de wens om van ladingsgewijze naar enkelvoudige-wafel etsen over te gaan. Dit heeft alleen zin wanneer voldoende hoge opbrengsten gerealiseerd kunnen worden. In het geval van etsen van en-25 kelvoudige wafels is hiervoor een etssnelheid van tenminste 5 nm/s (^3000 A/min) nodig. In het geval van depositie geldt een groeisnelheid van ten minste 3,3 nm/s ( ^ 2000 A/min).

Bij de uit bovengenoemd artikel bekende plasmareactor wordt een redelijk hoge plasmadichtheid in de plasmakamer gerealiseerd. Gewoonlijk 30 gaat plasma-etsen vergezeld met substraatbeschadiging. Deze wordt veroorzaakt door de met hoge energie op het wafeloppervlak inslaande ionen en andere vormen van straling.

De uitvinding beoogt bovengenoemd nadeel te ondervangen en een plasmareactor aan te geven waarin de levensduur van de plasmadeeltjes 35 verlengd en de homogeniteit van het plasma verbeterd wordt, terwijl de bewerking bij lagere drukken kan plaats vinden.

Dit wordt hij een plasmareactor van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding aldus bereikt dat de buitenwand voorzien is van een meerpolig magneetstelsel met afwisselend langs de omtrek van de bui-40 tenwand opgestelde noord- en zuidpolen, die een herhalend puntvormig 870 1 543 * 2 * magnetisch opsluitveld in de plasmakamer opwekken, waardoor een verdere verhoging van de levensduur van de plasmadeeltjes en een verbetering van de plasmahomogeniteit wordt verkregen.

De uitvinding zal aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld van een 5 plasma-etser nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin:

Fig. 1 een schematisch doorsnede-aanzicht toont van de bekende plasmareactor van het magnetrontype;

Fig. 2 een schematisch doorsnede-aanzicht geeft van een uitvoe-10 ringsvorm van de plasmareactor volgens de uitvinding;

Fig. 3 een grafiek toont van de ionendichtheid en plasmagrenslaag-spanning in een Argonplasma versus een variërend axiaal magnetisch dc veld; en

Fig. 4 een grafiek toont van de etssnelheid van S1O2 in een CF4 15 plasma versus het axiale magnetische dc veld.

Fig. 1 geeft een doorsnede aanzicht van een bekende plasmareactor voor hoge-flux plasma-etsen. Deze plasmareactor bestaat in wezen uit twee coaxiale cilinders, een binnencilinder 1 en buitencilinder 2, en twee afsluitende zijflenzen. Hierbij wordt een radiaal electrisch rf 20 veld Erf aangelegd. In combinatie met een axiaal magnetisch dc veld B zal dit een oscillatorische azimutale beweging van de plasma electronen, de zogenaamde E x B drift, veroorzaken zoals als voorbeeld in fig.

1 is aangegeven. Het B-veld verhindert dat de electronen rechtstreeks naar de electroden zullen bewegen, hetgeen zou gebeuren wanneer alleen 25 het electrische rf veld aanwezig zou zijn (d.w.z. wanneer B = 0). Hierdoor wordt de levensduur van deze electronen aanzienlijk verhoogd en daarmede hun vermogen om het etsgas te ioniseren en radicalen op te wekken. Daar de Larmorradius van de ionen groot is ten opzichte van de diameter van de reactor worden de ionen niet in hun beweging gehinderd. Het 30 gevolg is dat een langere levensduur van de plasmadeeltjes en daardoor een hogere plasmadichtheid en etssnelheid wordt verkregen.

Behalve een toename in de globale plasmadichtheid heeft het aangelegde axiale magnetische dc veld een tweede voordeel tot gevolg. De ge-emitteerde secundaire electronen uit de electrode-oppervlakken zijn be-35 perkt in hun beweging, hetgeen tot gevolg heeft dat de ionisatiesnelheid en dus de plasmadichtheid nabij het oppervlak locaal vergroot wordt.

Verder wordt niet alleen de plasmadichtheid beïnvloed door het aanleggen van een magnetisch veld, maar ook de plasmaspanning of grenslaag-spanning. Deze grenslaagspanning tussen plasma en wand, die in feite de 40 inslagenergie van de ionen op het wafeloppervlak regelt, hangt af van 870 1 549 3 ' het verschil in beweeglijkheid tussen ionen en electronen. Door de aanwezigheid van magnetische veldlijnen evenwijdig aan het oppervlak zal de electronenbeweeglijkheid in een richting naar dit oppervlak beperkt worden en als gevolg daarvan zal de geïnduceerde dc spanning over de laag 5 verkleind worden. Dat wil zeggen dat door de magnetische veldsterkte te veranderen de plasmaspanning gestuurd kan worden. Dit is van belang daar een lagere grenslaagspanning een kleinere versnelling van ionen over de laag en daardoor een verminderde stralingbeschadiging in het substraat tot gevolg heeft. De hoge etssnelheden, zoals eerder vermeld, zijn daar-10 door bij kleinere grenslaagspanningen mogelijk.

Door nu bij de plasmareactor van het magnetrontype in de buitenwand een meerpolig magneetstelsel met afwisselend aan de omtrek van de buitenwand opgestelde noord- en zuidpolen op te nemen wordt een herhalend puntvormig magnetisch opsluitveld in de plasmakamer aanvullend aan 15 het evenwijdig aan de oppervlakken verlopende magnetische dc-veld opgewekt. De plasmareactor volgens de uitvinding kan met twee confocale bollen of icosaeders als binnenwand en buitenwand of met een binnencilinder en buitencilinder met afsluitende zij flenzen als binnenwand en buitenwand zijn uitgevoerd. Door het aanvullende opsluitveld wordt een verdere 20 verhoging van de levensduur van de plasmadeeltjes en een verbetering van de plasmahomogeniteit verkregen met als gevolg een hogere bewerkings-snelheid, een verminderde stralingsbeschadiging aan het te behandelen substraatoppervlak en de mogelijkheid van plasma-etsen of -depositie bij lage gasdrukken. De mogelijkheid van het werken bij lage gasdruk is 25 eveneens een direct gevolg van de langere levensduur van de plasma-elec-tronen. Om de ontlading in stand te houden moeten er voldoende ioniserende botsingen tussen electronen en neutrale gasdeeltjes plaatsvinden.

De afname van de kans op botsingen als gevolg van drukverlaging wordt gecompenseerd door het feit dat de electronen een langere weg afleggen 30 binnen het plasma volume.

Naast de buitencilinder kunnen ook de zij flensen van een meerpolig magneetstelsel zijn voorzien zodat de plasmakamer aan alle zijden een herhalend puntvormig magnetisch opsluitveld heeft. Opgemerkt wordt dat het een der eigenschappen van het veelpolige magneetveld is, dat het 35 nauwelijks bijdraagt aan het totale B-veld op de wafel en daardoor op die plaats geen plasma-inhomogeniteiten kan introduceren.

In figuur 2 is een doorsnede-aanzicht gegeven van een uitvoeringsvorm van de plasmareactor volgens de uitvinding. In dit voorbeeld wordt de buitenwand door een buitencilinder met cirkelvormige doorsnede en de 40 binnenwand door een binnencilinder met meerhoekige doorsnede en afslui- 8701549 4 tende zijflenzen gevormd. Het is duidelijk dat andere en onderling gelijke of ongelijke doorsnedevormen voor beide wanden eveneens mogelijk zijn, zoals bijv. een "renbaanvormige" doorsnede. De buitencilinder 1 heeft aan de binnenzijde een meerpolig magneetstelsel 3 met afwisselend 5 opgestelde noord- en zuidpolen 4. De polariteit mag wisselen in de azi-mutale richting, de axiale richting of in beide richtingen. Deze polen wekken binnen de plasmakamer het genoemde herhalende puntvormige extra opsluitveld op dat in fig. 2 voor een deel is getekend en met 8 is aangeduid. De binnencilinder 2 kan van één of meerdere oplegvlakken zijn 10 voorzien waarop een IC wafel, zoals 7, ten behoeve van een verdere ets-bewerking kan zijn gemonteerd. De buitencilinder 1 is veelal geaard en aan de binnencilinder 2 wordt via een aanpasnetwerk een radiofrequent spanningssignaal, bijv. van 13,56 MHz, toegevoerd. Het etsgas wordt in de plasmakamer ingevoerd via een aantal gelijkelijk langs de omtrek ver-15 deeld aangebrachte capillairen. Door dit grote aantal gasinlaten wordt de uniformiteit van het plasma verbeterd. De binnenwand en de buitenwand kunnen aan de binnenzijde van de plasmakamer voorzien zijn van een di-electrische bekledingslaag. Tevens kunnen deze wanden aan de buitenzijde van de plasmakamer voorzien zijn van fluïdumkanalen, zoals in de figuur 20 met 6 aangegeven, voor een regeling van de temperatuur binnen de plasmakamer .

Het genoemde opsluitveld wordt verkregen door de afwisselende noord- en zuidpolen met behulp van permanente magneten uit te voeren. Het evenwijdig aan de oplegvlakken verlopende magnetische dc veld, dat 25 bij een coaxiale cilindrische uitvoering van de plasmareactor een axiaal magnetisch veld is, kan zowel door electromagnetische spoelen als door permanente magneten gerealiseerd worden. In fig. 2 is als voorbeeld een rond de buitenwand gewikkelde dc spoel met 5 aangegeven. Het is van belang dat het axiaal verlopende magnetische veld nabij het oppervlak van 30 de te etsen wafel 7 bijzonder weinig variatie ondergaat, bij voorkeur minder dan 1 %.

De toepassing van magnetische velden heeft tot gevolg dat het para-meterregime van de bewerking kan worden uitgebreid naar lagere drukken, d.w.z. ca. 10-^ Torr in het geval van plasma-etsen of ca. 10“1 35 Torr in het geval van plasma-depositie. In combinatie met de genoemde magnetische velden wordt het plasma met een standaard microgolf- of radiofrequent generator teweeggebracht.

In figuur 3 is een grafiek aangegeven van de invloed van het axiale magnetische veld op de ionendichtheid en grenslaagspanning. Door het 40 magnetische veld van 0 tot 260 gauss te veranderen kan de grenslaag dc 870 154 d 5 » spanning van enige honderden volts tot enkele volts worden gereduceerd. Afhankelijk van de gasdruk kan de spanning zelfs van teken veranderen.

Hierdoor ontstaat de mogelijkheid van regeling van de energie van de ionen die op het wafeloppervlak inslaan. Het axiale magnetische veld kan 5 dus zodanig worden ingesteld dat een minimale beschadiging aan het sub-straatoppervlak afhankelijk van de verschillende plasmadichtheden, spanningen en etssnelheden wordt bereikt.

In figuur 4 is de etssnelheid van een S1O2 wafeloppervlak in een CF4 plasma-ontlading versus de veldsterkte van het axiale magnetische 10 veld aangegeven.

In het geval van fysisch sputteren wordt de snelheid, waarmee de oppervlaktemoleculen worden weggenomen, in hoofdzaak beperkt door de kinetische energie van de op het oppervlak inslaande plasmadeeltjes. Het is echter bekend dat SiO£ chemisch geëtst kan worden bijvoorbeeld door 15 fluor of fluor bevattende radicalen, zoals opgewekt in een CF4 ontlading, te gebruiken. Daarom is bij een reactieve-ionen etsing de kinetische energie van de op het oppervlak inslaande deeltjes van minder belang. Deze kinetische energie moet wel voldoende hoog zijn om de zwak-gebonden chemische reactieproducten met dezelfde snelheid weg te nemen 20 als zij aan het oppervlak gevormd worden. Van meer belang zal de dichtheid van de F en de CFn radicalen in de plasmagrenslaag zijn en deze grootheid zal toenemen met een toename van de plasmadichtheid (daar beide een product zijn van de botsingen die in de plasmamassa plaatsvinden) .

25 De in figuur 4 weergegeven metingen werden uitgevoerd bij verschil lende axiale magnetische veldsterkten, waarbij het geabsorbeerde vermogen op 2 kWatt en de gasdruk op 6 mTorr werd gehouden. Het is duidelijk dat de etssnelheid niet door de de grenslaagspanning, waarvan in figuur 3 werd aangegeven dat deze bij hogere waarden van B zeer laag is, maar 30 door de chemische reacties werd bepaald. Als gevolg van de verbeterde magnetische opsluiting volgens de uitvinding neemt de ionendichtheid en eveneens de dichtheid van de radicalen toe waardoor een etssnelheid wordt verkregen die een orde hoger is dan bij de bekende stand van de techniek. Deze bij lage gasdruk gemeten etssnelheid van 5 nm/s is van 35 groot belang voor toepassingen bij industriële enkelvoudige-wafelverwer-king.

8701543

Claims (11)

1. Plasmareactor van het magnetrontype voor hoge-flux plasmabewer-king van oppervlakken, zoals plasma-etsen en plasma-depositie, omvatten- 5 de een plasmakamer begrensd door een binnenwand en een in hoofdzaak deze binnenwand op afstand omringende buitenwand, welke binnenwand aan het oppervlak is voorzien van een of meer oplegvlakken voor te bewerken voorwerpen, zoals IC wafels of dergelijke, waarbij de plasmakamer wordt gevuld met het te ioniseren gas, waarbij een in hoofdzaak radiaal verlo-10 pend electrisch rf veld (E) tussen binnen- en buitenwand en een in hoofdzaak evenwijdig aan de genoemde oplegvlakken verlopend magnetisch dc veld (B) wordt aangelegd, waardoor een bewerking van de genoemde voorwerpen in de (E x B)-type plasma-ontladingen mogelijk wordt, met het kenmerk, dat de buitenwand is voorzien van een meerpolig magneetstelsel 15 met afwisselend langs de omtrek van de buitenwand opgestelde noord- en zuidpolen die een herhalend puntvormig magnetisch opsluitveld in de plasmakamer opwekken ter verdere verhoging van de levensduur van de plasmadeeltjes, en ter verbetering van de plasmahomogeniteit.

2. Plasmareactor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het 20 meerpolige magneetstelsel met afwisselende noord- en zuidpolen met permanente magneten is uitgevoerd.

3. Plasmareactor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de buitenwand aan aarde is gelegd en dat de rf spanning ter opwekking van het electrische rf veld aan de binnenwand wordt aangelegd.

4. Plasmareactor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de bin nen- en buitenwand een diëlectrische bekleding hebben.

5. Plasmareactor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het magnetische dc veld aanvullend regelbaar is om de tijdens plasmabewerking ontstane grenslaagspanning van het plasma ten opzichte van de wand tot 30 een minimum te beperken met als gevolg een lagere versnelling van de plasmadeeltjes en daardoor een kleinere beschadiging in het substraat van het genoemde voorwerp.

6. Plasmareactor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het magnetische dc veld met permanente magneten wordt opgewekt.

7. Plasmareactor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de bin nenwand en de buitenwand van de reactor resp. als binnencilinder en buitencilinder met afsluitende zij flenzen zijn uitgevoerd.

8. Plasmareactor volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de binnencilinder en buitencilinder een in hoofdzaak cirkelvormige doorsnede 40 hebben. 87 01 54 9 7 ··

9. Plasmareactor volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de bin-nencilinder en buitencilinder een in hoofdzaak renbaanvormige doorsnede hebben.

10. Plasmareactor volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de bin-5 nencilinder en buitencilinder respectievelijk in hoofdzaak een meerhoekige en een cirkelvormige doorsnede hebben.

11. Plasmareactor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het genoemde herhalende puntvormige magnetische opsluitveld een regelmatig herhalend magnetisch opsluitveld is. 10 ****** 9701 SVS