RU2408950C1 - Reactor for plasma treatment of semiconductor structures - Google Patents

Reactor for plasma treatment of semiconductor structures Download PDF

Info

Publication number
RU2408950C1
RU2408950C1 RU2009137633/28A RU2009137633A RU2408950C1 RU 2408950 C1 RU2408950 C1 RU 2408950C1 RU 2009137633/28 A RU2009137633/28 A RU 2009137633/28A RU 2009137633 A RU2009137633 A RU 2009137633A RU 2408950 C1 RU2408950 C1 RU 2408950C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
reactor
plasma
magnetic
magnetic field
magnetic system
Prior art date
Application number
RU2009137633/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Иванович Виноградов (RU)
Анатолий Иванович Виноградов
Александр Анатольевич Голишников (RU)
Александр Анатольевич Голишников
Николай Михайлович Зарянкин (RU)
Николай Михайлович Зарянкин
Сергей Петрович Тимошенков (RU)
Сергей Петрович Тимошенков
Михаил Георгиевич Путря (RU)
Михаил Георгиевич Путря
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет), (МИЭТ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет), (МИЭТ) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет), (МИЭТ)
Priority to RU2009137633/28A priority Critical patent/RU2408950C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2408950C1 publication Critical patent/RU2408950C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: reactor for plasma treatment of semiconductor structures includes a magnetic system which creates a constant magnetic field whose field lines are directed on the axis of the reactor. Axial magnetic field created by the magnetic system prevents electrons coming out of the plasma to the wall of the reactor, thereby increasing ionisation efficiency and increasing plasma density with the same power consumed by the charge. In the simplest case, the magnetic system has a coil placed outside the reactor and powered by direct current. To increase efficiency of the magnetic field, the magnetic system can consist of two coils connected in the same direction. In that case, a magnetic trap forms in space over the electrode-substrate holder, which more efficiently holds electrons, thereby increasing degree of ionisation of the plasma. Homogeneity of etching a plate with diametre of 100 mm is not less than 97%. ^ EFFECT: reactor with transformer-bonded plasma with inductive discharge exciting system, which enables to increase plasma density and, as a result, increase rate of plasmachemical treatment. ^ 3 dwg

Description

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к реакторам для высокоплотной и высокочастотной плазменной обработки полупроводниковых структур.The invention relates to microelectronics, in particular to reactors for high-density and high-frequency plasma processing of semiconductor structures.

При создании современных СБИС выявилась одна из основных проблем, препятствующих дальнейшему снижению размеров элементов до 0,5-0,25 мкм, связанная в первую очередь с ограничениями существующей плазмохимической технологии и оборудования по воспроизведению таких элементов с приемлемыми характеристиками. Применительно к указанным выше размерам элементов требуемые технологические параметры могут быть получены лишь при одновременном сочетании таких несовместимых для традиционных плазмохимических реакторов характеристик, как высокая плотность ионного тока (1-10 мА/см2) и низкая энергия ионов (20-50 эВ). Существующие плазмохимические реакторы в подавляющем большинстве своем обеспечивают на один-два порядка меньшую плотность ионного тока при соответственно большей, до 1000 эВ, энергии ионов.When creating modern VLSI, one of the main problems that prevented a further reduction in the size of elements to 0.5-0.25 microns was identified, primarily due to the limitations of the existing plasma-chemical technology and equipment for reproducing such elements with acceptable characteristics. In relation to the element sizes indicated above, the required technological parameters can be obtained only with a simultaneous combination of such incompatible characteristics for traditional plasma-chemical reactors as high ion current density (1-10 mA / cm 2 ) and low ion energy (20-50 eV). The overwhelming majority of existing plasma chemical reactors provide one or two orders of magnitude lower ion current density with a correspondingly higher, up to 1000 eV, ion energy.

Попытки снижения энергии ионов за счет уменьшения мощности разряда приводят к резкому снижению скорости травления так же, как и попытки увеличения анизотропии путем снижения рабочего давления.Attempts to reduce ion energy by reducing the discharge power lead to a sharp decrease in the etching rate, as well as attempts to increase anisotropy by lowering the operating pressure.

Общепризнано, что трудность работы с ВЧ-источниками при низком давлении заключается в быстром падении плотности ионного тока при снижении давления. Это, в свою очередь, вызывает снижение скорости травления и производительность. Увеличение мощности или напряжения смещения на пластине ведет к увеличению скорости травления, но при этом возникают проблемы с высокоэнергетичными ионами из-за повышенного дефектообразования в полупроводниковых структурах. Преимуществом работы при низком давлении является высокая анизотропия, позволяющая воспроизводить субмикронные размеры, а также "чистота" процесса, так как при низком давлении продукты реакции травления более летучи и легко удаляются, сводя к минимуму образование загрязняющих частиц и выпадение осадков. Таким образом, плазмохимический реактор для современной технологии СБИС должен обеспечивать весьма высокую плотность плазмы при очень низком давлении.It is generally recognized that the difficulty in working with RF sources at low pressure lies in the rapid drop in the ion current density with a decrease in pressure. This, in turn, causes a decrease in the etching rate and productivity. An increase in the power or bias voltage on the wafer leads to an increase in the etching rate, but this causes problems with high-energy ions due to increased defect formation in semiconductor structures. The advantage of working at low pressure is the high anisotropy, which allows reproducing submicron sizes, as well as the "purity" of the process, since at low pressure the etching reaction products are more volatile and easy to remove, minimizing the formation of polluting particles and precipitation. Thus, the plasma-chemical reactor for modern VLSI technology should provide a very high plasma density at very low pressure.

К таким реакторам относятся реакторы на основе электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) [1]. Для усовершенствования плазменных ЭЦР техпроцессов имеются большие возможности. Однако при промышленном использовании реакторы на ЭЦР проигрывают из-за высокой стоимости, так как они могут быть в три раза дороже обычных плазменных реакторов. Поэтому сейчас широко используются так называемые ICP и TCP реакторы с индукционной системой возбуждения разряда [2].These reactors include reactors based on electron cyclotron resonance (ECR) [1]. There are great opportunities for improving plasma ECR processes. However, in industrial use, ECR reactors lose because of their high cost, since they can be three times more expensive than conventional plasma reactors. Therefore, the so-called ICP and TCP reactors with an induction discharge excitation system are now widely used [2].

Наиболее близким к заявляемому является реактор для плазменной обработки полупроводниковых структур [3], содержащий камеру с системой подвода и отвода газа, подложкодержатель, установленный в основании камеры с возможностью подачи на него потенциала смещения, и систему генерации плазмы, состоящую из спирального индуктора и системы согласования для соединения спирального индуктора с ВЧ-генератором. В верхней части камеры выполнено сквозное отверстие, закрытое диэлектрическим экраном, над которым размещен спиральный индуктор, система согласования содержит трансформатор с ферритовым сердечником, индуктивность и емкость, причем емкость соединена параллельно со спиральным индуктором, а для подачи потенциала смещения на подложкодержатель использована цепочка из дополнительных индуктивности и емкости, подсоединенная к системе согласования.Closest to the claimed is a reactor for plasma processing of semiconductor structures [3], containing a chamber with a gas supply and exhaust system, a substrate holder installed in the base of the chamber with the ability to supply bias potential to it, and a plasma generation system consisting of a spiral inductor and matching system for connecting a spiral inductor with an RF generator. A through hole is made in the upper part of the chamber, closed by a dielectric screen, above which a spiral inductor is placed, the matching system contains a transformer with a ferrite core, an inductance and a capacitance, the capacitance being connected in parallel with the spiral inductor, and a chain of additional inductances was used to supply the bias potential to the substrate holder and capacitance connected to the matching system.

В известном реакторе достигается довольно высокая скорость (0,4-0,5 мкм/мин) травления SiO2. Но в ряде случаев, например при глубоком травлении SiO2 и кремния для создания чувствительных элементов микромеханических систем, требуется еще более высокая скорость обработки (порядка 1 мкм/мин для SiO2 и несколько мкм/мин для кремния) при одновременно высокой однородности процесса травления и обеспечении гладкости стенок формируемых структур.In the known reactor, a rather high rate (0.4-0.5 μm / min) of etching of SiO 2 is achieved. But in some cases, for example, with deep etching of SiO 2 and silicon to create sensitive elements of micromechanical systems, an even higher processing speed is required (of the order of 1 μm / min for SiO 2 and several microns / min for silicon) while the etching process is highly uniform and ensuring the smoothness of the walls of the formed structures.

Техническим результатом изобретения является увеличение плотности плазмы и, как следствие, повышение скорости плазмохимической обработки.The technical result of the invention is to increase the plasma density and, as a consequence, increase the speed of plasma-chemical treatment.

Указанный технический результат достигается тем, что в реактор для плазменной обработки полупроводниковых структур, содержащий камеру с системой подвода и отвода газа; электрод-подложкодержатель, установленный в основании камеры с возможностью подачи на него потенциала смещения; систему генерации плазмы, состоящую из спирального индуктора и системы согласования для соединения спирального индуктора с ВЧ-генератором, вводится магнитная система, создающая постоянное магнитное поле, силовые линии которого направлены по оси реактора. Осевое магнитное поле, создаваемое магнитной системой, ограничивает уход электронов из плазмы на стенки реактора, повышая таким образом эффективность ионизации и увеличивая плотность плазмы при неизменной мощности, потребляемой разрядом.The specified technical result is achieved in that in a reactor for plasma processing of semiconductor structures, comprising a chamber with a gas supply and exhaust system; an electrode-substrate holder installed in the base of the chamber with the possibility of supplying a bias potential to it; a plasma generation system consisting of a spiral inductor and a matching system for connecting the spiral inductor to the RF generator, a magnetic system is introduced that creates a constant magnetic field, the lines of force of which are directed along the axis of the reactor. The axial magnetic field created by the magnetic system limits the escape of electrons from the plasma to the walls of the reactor, thereby increasing the ionization efficiency and increasing the plasma density at a constant power consumed by the discharge.

Принцип реализации заявленного реактора схематично изображен на фиг.1, где 1 - крышка реактора со сквозным отверстием; 2 - диэлектрический кварцевый экран; 3 - газораспределительное кольцо; 4 - спиральный индуктор; 5 - электрод-подложкодержатель; 6 - магнитная система.The principle of implementation of the claimed reactor is schematically depicted in figure 1, where 1 is the reactor lid with a through hole; 2 - dielectric quartz screen; 3 - gas distribution ring; 4 - spiral inductor; 5 - electrode-substrate holder; 6 - magnetic system.

На фиг.2 изображена типовая зависимость плотности ионного тока от тока катушек магнитной системы. Как видно из чертежа, зависимость плотности тока от магнитного поля, создаваемого магнитной системой, имеет максимум. Величина оптимального магнитного поля растет с увеличением ВЧ-мощности разряда.Figure 2 shows a typical dependence of the ion current density on the current of the coils of the magnetic system. As can be seen from the drawing, the dependence of the current density on the magnetic field created by the magnetic system has a maximum. The magnitude of the optimal magnetic field increases with increasing RF discharge power.

Очевидно, что заявленный реактор отличается тем, что для каждого значения ВЧ-мощности разряда задается оптимальное значение магнитного поля, создаваемого магнитной системой, которое обеспечивает максимальную плотность плазмы, в соответствии с кривой, представленной на фиг.3. Это обеспечивает требуемую скорость травления (порядка 1 мкм/мин для SiO2 и 2-4 мкм/мин для кремния) при высокой (97%) однородности травления.It is obvious that the claimed reactor is characterized in that for each value of the RF discharge power, the optimal value of the magnetic field created by the magnetic system is set, which provides the maximum plasma density, in accordance with the curve shown in Fig.3. This provides the required etching rate (of the order of 1 μm / min for SiO 2 and 2-4 μm / min for silicon) with high (97%) etching uniformity.

Реактор имеет крышку со сквозным отверстием 1 в верхней части корпуса камеры. Диэлектрический кварцевый экран 2 расположен в окне и отсекает внутренний объем рабочей камеры, но при этом позволяет магнитному полю, которое создается спиральным индуктором 4 проникать через него в зону возбуждения плазмы. Спиральный индуктор размещается в пределах и вблизи диэлектрического экрана. Для улучшения теплоотвода от обрабатываемой подложки предусмотрено водяное охлаждение электрода-подложкодержателя и подача газообразного гелия в промежуток между электродом-подложкодержателем и подложкой. Рабочая смесь газов подается во внутренний объем реактора через отверстие в боковой стенке. Для увеличения равномерности газораспределения во внутреннем объеме реактора используется разделительное кольцо 3, размещенное около электрода-подложкодержателя. Это позволяет поступающему в рабочий объем реакционному газу равномерно распределяться в области электрода-подложкодержателя. Вакуумная откачка из внутреннего объема рабочей камеры осуществляется из бокового отверстия реактора с помощью механического и турбомолекулярного насосов, обеспечивающих рабочее давление Р=1-5 Па. Плазменный разряд, возбуждаемый индуктором 4, заполняет объем между диэлектрическим кварцевым экраном 2 и электродом-подложкодержателем 5.The reactor has a cover with a through hole 1 in the upper part of the camera body. The dielectric quartz screen 2 is located in the window and cuts off the internal volume of the working chamber, but at the same time allows the magnetic field that is created by the spiral inductor 4 to penetrate through it into the plasma excitation zone. A spiral inductor is placed within and near the dielectric shield. To improve the heat removal from the processed substrate, water cooling of the electrode-substrate holder and the supply of gaseous helium into the gap between the electrode-substrate holder and the substrate are provided. The working gas mixture is fed into the internal volume of the reactor through an opening in the side wall. To increase the uniformity of gas distribution in the internal volume of the reactor, a dividing ring 3 is used, which is located near the electrode-substrate holder. This allows the reaction gas entering the working volume to be evenly distributed in the region of the electrode-holder. Vacuum pumping out of the internal volume of the working chamber is carried out from the side opening of the reactor using mechanical and turbomolecular pumps, providing an operating pressure of P = 1-5 Pa. A plasma discharge excited by the inductor 4 fills the volume between the dielectric quartz screen 2 and the electrode-substrate holder 5.

Магнитная система в простейшем случае содержит катушку, расположенную снаружи реактора, которая и запитывается постоянным током (см. фиг.1а). Для повышения эффективности магнитного поля магнитная система может состоять из двух катушек, расположенных снаружи реактора и включенных в одном направлении (см. фиг.1б). В этом случае в пространстве над электродом-подложкодержателем образуется магнитная ловушка, более эффективно удерживающая электроны, что приводит к повышению степени ионизации плазмы. Вариант магнитной системы, показанный на фиг.1в, позволяет получить оптимальное значение магнитного поля при меньшем значении тока катушек, благодаря тому, что нижняя катушка максимально приближена к зоне плазмы.The magnetic system in the simplest case contains a coil located outside the reactor, which is powered by direct current (see figa). To increase the efficiency of the magnetic field, the magnetic system can consist of two coils located outside the reactor and included in one direction (see figb). In this case, a magnetic trap is formed in the space above the electrode-substrate holder, which more effectively holds the electrons, which leads to an increase in the degree of plasma ionization. The variant of the magnetic system shown in Fig. 1c allows one to obtain the optimal value of the magnetic field with a lower value of the current of the coils, due to the fact that the lower coil is as close as possible to the plasma zone.

Применение магнитной системы позволило увеличить плотность ионного тока с 12 мА/см2 до 25 мА/см2 при мощности ВЧ-разряда W=750 Вт, напряжении смещения Uсм=-50 В и давлении аргоновой плазмы Р=3 Па при повышении тока магнитной катушки от 0 до 3,8 А (что соответствует напряженности магнитного поля около 2300 А/м). В заявляемом реакторе при травлении SiO2 во фторсодержащей плазме получены скорости травления Vтр.=1,0 мкм/мин при ВЧ-мощности W=1000 Вт, рабочем давлении Р=3 Па и напряжении смещения Uсм=-50 В. Достигнута однородность травления по пластине диаметром 100 мм не хуже 97%.The use of a magnetic system made it possible to increase the ion current density from 12 mA / cm 2 to 25 mA / cm 2 with an RF discharge power of W = 750 W, a bias voltage of U cm = -50 V, and an argon plasma pressure of P = 3 Pa with increasing magnetic current coils from 0 to 3.8 A (which corresponds to a magnetic field of about 2300 A / m). In the inventive reactor, when etching SiO 2 in a fluorine-containing plasma, etching rates V tr are obtained . = 1.0 μm / min with an RF power of W = 1000 W, an operating pressure of P = 3 Pa and a bias voltage of U cm = -50 V. A uniform etching was achieved on a plate with a diameter of 100 mm no worse than 97%.

Источники информацииInformation sources

1. Н.Kimura et al. Highly selective contact hole etching using ECR plasma. Jpn.J.Appl.Phys. Vol.34 (1995), p.2114-2118.1. H. Kimura et al. Highly selective contact hole etching using ECR plasma. Jpn.J.Appl.Phys. Vol. 34 (1995), p. 214-2118.

2. US 4948458 A, Н01L 21/306, 1990.2. US 4,948,458 A, H01L 21/306, 1990.

3. Патент РФ №2133998 - прототип.3. RF patent №2133998 - prototype.

Claims (1)

Реактор для плазменной обработки полупроводниковых структур, содержащий камеру с системой подвода и отвода газа, подложкодержатель, установленный в основании камеры с возможностью подачи на него потенциала смещения, и систему генерации плазмы, состоящую из спирального индуктора и системы согласования для соединения спирального индуктора с ВЧ-генератором, в верхней части камеры выполнено окно, закрытое диэлектрическим экраном, над которым размещен спиральный индуктор, система согласования содержит трансформатор с ферритовым сердечником, индуктивность и емкость, отличающийся тем, что реактор содержит магнитную систему, создающую постоянное магнитное поле, силовые линии которого направлены по оси реактора, и выполненную в виде одной или двух катушек, расположенных снаружи реактора, или двух катушек, одна из которых размещена снаружи реактора, а вторая - внутри электрода-подложкодержателя. A reactor for plasma processing of semiconductor structures, comprising a chamber with a gas supply and exhaust system, a substrate holder installed at the base of the chamber with the possibility of supplying a bias potential to it, and a plasma generation system consisting of a spiral inductor and a matching system for connecting the spiral inductor to the RF generator , in the upper part of the chamber there is a window closed by a dielectric screen, over which a spiral inductor is placed, the matching system contains a transformer with a ferrite heart com, inductance and capacitance, characterized in that the reactor contains a magnetic system that creates a constant magnetic field, the lines of force of which are directed along the axis of the reactor, and made in the form of one or two coils located outside the reactor, or two coils, one of which is located outside reactor, and the second inside the substrate-holder electrode.
RU2009137633/28A 2009-10-13 2009-10-13 Reactor for plasma treatment of semiconductor structures RU2408950C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009137633/28A RU2408950C1 (en) 2009-10-13 2009-10-13 Reactor for plasma treatment of semiconductor structures

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009137633/28A RU2408950C1 (en) 2009-10-13 2009-10-13 Reactor for plasma treatment of semiconductor structures

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2408950C1 true RU2408950C1 (en) 2011-01-10

Family

ID=44054740

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009137633/28A RU2408950C1 (en) 2009-10-13 2009-10-13 Reactor for plasma treatment of semiconductor structures

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2408950C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2670249C1 (en) * 2017-12-22 2018-10-19 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт точного машиностроения" Reactor for plasma processing of semiconductor structures
RU2714864C1 (en) * 2019-06-10 2020-02-19 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Электронное специальное-технологическое оборудование" Reactor of plasma processing of semiconductor structures

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2670249C1 (en) * 2017-12-22 2018-10-19 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт точного машиностроения" Reactor for plasma processing of semiconductor structures
RU2714864C1 (en) * 2019-06-10 2020-02-19 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Электронное специальное-технологическое оборудование" Reactor of plasma processing of semiconductor structures

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5453305A (en) Plasma reactor for processing substrates
US6312554B1 (en) Apparatus and method for controlling the ratio of reactive to non-reactive ions in a semiconductor wafer processing chamber
KR100255703B1 (en) Device of plasma using electromagnetic rf
US8222157B2 (en) Hybrid RF capacitively and inductively coupled plasma source using multifrequency RF powers and methods of use thereof
JP3987545B2 (en) High frequency induction plasma source device for plasma processing
JP3653524B2 (en) Plasma generation method and plasma generation apparatus including inductively coupled plasma generation source
JP3097957B2 (en) High quality inductively coupled plasma reactor
KR100265617B1 (en) Plasma reactor using electromagnetic rf coupling and processes
CN111837222A (en) Plasma processing method and plasma processing apparatus
JPH0770532B2 (en) Plasma processing device
KR20140130542A (en) Toroidal plasma chamber for high gas flow rate process
JP2002093776A (en) HIGH SPEED ETCHING METHOD OF Si
KR20070104701A (en) Inductive coupled plasma source with plasma discharging tube covered with magnetic core block
JP2009004157A (en) Plasma generating device
RU2408950C1 (en) Reactor for plasma treatment of semiconductor structures
JP2004353066A (en) Plasma source and plasma treatment system
US6824363B2 (en) Linear inductive plasma pump for process reactors
US20050194361A1 (en) Neutral beam source having electromagnet used for etching semiconductor device
RU2133998C1 (en) Reactor for plasma treatment of semiconductor structures
JP5893260B2 (en) Plasma processing apparatus and processing method
JP5097074B2 (en) Plasma processing apparatus and plasma processing method
JPH10284298A (en) Plasma processing method and device
RU2777653C1 (en) Method for ion-plasma treatment of large-scale substrates
KR20130125077A (en) Pecvd apparatus using large area e-beam
JP4527833B2 (en) Plasma processing apparatus and method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161014