WO2001088950A1 - Plasmaätzanlage - Google Patents

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WO2001088950A1
WO2001088950A1 PCT/DE2001/001777 DE0101777W WO0188950A1 WO 2001088950 A1 WO2001088950 A1 WO 2001088950A1 DE 0101777 W DE0101777 W DE 0101777W WO 0188950 A1 WO0188950 A1 WO 0188950A1
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WO
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plasma
generating device
plasma generating
etching system
gas
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Application number
PCT/DE2001/001777
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English (en)
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Inventor
Franz Laermer
Andrea Schilp
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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Priority to JP2001584454A priority patent/JP2003533877A/ja
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
    • H01J37/32247—Resonators
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/321—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being inductively coupled to the plasma

Definitions

  • the invention relates to a plasma etching system for in particular anisotropic etching of a substrate by the action of a plasma according to the preamble of the main claim.
  • a high-rate silicon etching process is known from patent DE 42 41 045 C1, in which the highest possible fluorine radical concentrations have to be generated in order to achieve the highest possible etching rates. This is done by irradiating correspondingly high high-frequency powers into the inductive plasma source used there with power values of typically 3 to 6 kWatt. With such a high output, however, in addition to the desired increase in the fluorine radical densities, undesirably high densities of ions are also generated, which interfere with the etching process and can be harmful for the highest possible mask selectivity. In addition, such high densities of ions also sometimes lead to undesirably high temperatures of the substrate to be etched and give rise to profile deviations there.
  • the high-frequency powers of 3 to 6 kWatt required there are also problematic and costly.
  • such high high-frequency outputs lead to stability problems within the plasma treatment system, which usually result from poor adaptation of the impedance of the plasma source to the impedance of the plasma generated.
  • damage to the high-frequency components or generators used occurs very easily, since in this case high electrical voltages or currents arise and can have a destructive effect.
  • the plasma deposition system according to the invention has the advantage over the prior art that it breaks up the supplied reactive gases to a high degree and thus the etching and etching processes required for carrying out the process according to DE 42 41 045 Cl or the process according to DE 197 34 278 Cl Passivation species are released very effectively.
  • the plasma etching plant according to the invention can be used to extract sulfur hexafluoride from the etching gas that is preferably used during the etching steps. Orid released a large amount of fluorine radicals, and during the passivation steps from a passivating gas such as CF 8 also a large amount of Teflon-like side wall polymer (CF 2 ) n are generated.
  • the first plasma generating device is an inductively coupled plasma generating device in which an ICP source or ICP coil (“Inductively Coupled Plasma”) is arranged outside the etching chamber.
  • ICP source or ICP coil ICP coil
  • This inductively coupled plasma generating device is particularly advantageous In this way it is achieved that these devices are connected in the sense of a so-called "downstream" arrangement, the supplied reactive gases directly in front of the inductively coupled plasma generation device through a dielectric tube such as for example, flow a quartz tube or a ceramic tube in which a high-density plasma is maintained in a relatively small volume by intensive microwave radiation.
  • the supplied reactive gases are thus already broken up to a high degree by this microwave plasma, and the etching species or passivating species required for the etching steps or the passivation steps are released.
  • the inevitably generated in the microwave plasma also with a relatively high density before the supply of this plasma as a reactive gas in the plasma of the inductively coupled plasma generating device can be made harmless by either the microwave plasma generating device a sufficient distance from the actual one Etching chamber with the inductively coupled plasma generating device, so that the undesirably high ion density in this microwave plasma is reduced again by volume recombinations or wall recombinations, or, preferably, in the area of the entry of the gas supply into the first plasma generating device, ie when the microwave plasma is transferred placed in the etching chamber with the inductively coupled plasma generating device, a discharge device.
  • This discharge device is advantageously a metallic or ceramic mesh, a perforated plate or perforated plate or a so-called “showerhead”, ie a “shower head”, on which ions from the microwave plasma are completely discharged when they pass through or are recombined with electrons. It is further exploited that such a discharge device for neutral fluorine radicals or polymer-forming monomers acts completely neutral.
  • an additional heating device or heating of the unloading device can ensure that no undesired deposition of reactive gases or reaction products from the reactive gases takes place on this unloading device. Such heating can finally also be done passively, since the heat input from the microwave plasma above it already provides sufficient heating.
  • an unloading device in particular in the form of a metallic mesh or perforated plate, further prevents microwave radiation from the microwave plasma generating device from passing into the inductively coupled plasma generating device, so that an otherwise considerable safety outlay for shielding this radiation can be avoided.
  • the unloading device thus very advantageously achieves that only neutral radicals for the etching or sidewall passivation are supplied to the actual etching chamber, while charged particles are at least largely neutralized before entering the etching chamber, and also microwave radiation at the entrance to the etching chamber is prevented.
  • microwave radiation or the use of a microwave generator in the upstream second plasma generating device is particularly cost-effective since, thanks to the advanced technology of microwave heating devices, outputs in the kWatt range can be generated at extremely low prices. So-called magnetron tubes are mostly used for this.
  • microwave excitation there is no risk of destruction of, in particular, electronic components in the event of a mismatch, since reflected microwave powers in the cavity resonator used, known per se, are guided or dissipated to a so-called water load, ie an absorber for microwave radiation, by means of known directional couplers can be.
  • the process carried out according to DE 42 41 045 Cl is usually carried out in inductively coupled plasma etching systems with an oxygen content of 5% to 10% of the flow of sulfur hexafluoride as the etching gas in the etching steps, in order to suppress harmful sulfur deposits in the exhaust gas area of the system.
  • the proportion of oxygen which may only be added during the etching steps, has so far had no further effect on the etching result, since the reactive gas sulfur hexafluoride under ICP
  • Excitation conditions with the release of fluorine radicals is only reduced to stable sulfur tetrafluoride (SF4), and with the relatively low excitation densities in inductively coupled plasma generating devices, only a small fraction is broken down to lower, sulfur-fluorine compounds that are reactive with oxygen.
  • SF4 sulfur tetrafluoride
  • the increase in the fluorine radical concentration in the plasma by saturating such lower sulfur-fluorine compounds with oxygen with further release of fluorine is negligible in previously known plasma etching systems, so that the addition of oxygen has so far had no etching rate-increasing effect.
  • the use of a microwave plasma generating device in which extremely high power densities are generated in a very small volume, means that such reactions of sulfur-fluorine compounds with oxygen radicals also occur to a significant extent and thereby additionally provide fluorine radicals.
  • the addition of Oxygen is no longer neutral with regard to the generated fluorine radical density in the etching chamber, but it causes a significant increase in the available fluorine radical amounts and thus permits higher etching rates for silicon.
  • the first plasma generator which is connected to the second plasma generator and has the actual etching chamber with inductive plasma excitation, therefore primarily has the task of effecting a controlled ionization of the supplied reactive gas from essentially neutral radicals and still unused reactive gases. Relatively low high-frequency outputs of, for example, 600 to 1200 watts are now advantageously sufficient for this.
  • the latter is now also used in a second line for the additional generation of etching species or, to a small extent, of passive species.
  • inductive plasma excitation has the advantage over microwave excitation in the actual etching chamber that particularly uniform etching results are achieved over the entire surface of the substrate to be etched by means of suitable devices, in particular aperture diaphragms, installed in the etching chamber.
  • the invention is explained in more detail with reference to the drawing and in the description below.
  • the figure shows a schematic diagram of a plasma etching system in section.
  • the invention is based initially on an anisotropic etching process for etching silicon with the aid of a plasma as is known for example from DE 42 41 045 Cl. Passivation steps and etching steps are used alternately, with a mixture of sulfur hexafluoride and argon being used as reactive gas during the etching steps, to which oxygen may also be added. During the
  • Passivation steps use a gaseous fluorocarbon or fluorocarbon, for example C4F8 or CHF3, optionally mixed with argon.
  • a gaseous fluorocarbon or fluorocarbon for example C4F8 or CHF3, optionally mixed with argon.
  • the plasma etching system initially starts from a first plasma generating device 31, as is known from patent DE 197 34 278 Cl.
  • This plasma generating device 31 is modified according to the invention in that a second plasma generating device 30 is connected upstream of it.
  • the figure first shows the first plasma generating device 31 known in principle from DE 197 34 278 C1, which is connected to the second plasma generating device 30 in the area of an unloading device 23.
  • the first plasma generating device 31 also has an etching chamber 10, to which a reactive gas or a reactive gas mixture can be supplied by means of a first gas supply 32 in the form of a dielectric tube 22. It is further provided that the first plasma generating device 31 is provided with a second plasma source 11.
  • the second plasma source 11 is an ICP coil with an associated high-frequency generator component, with which a high-frequency alternating electromagnetic field can be generated within the etching chamber 10 which, by acting on the reactive particles provided by the first reactive gas, generates a first gas plasma 21 in the interior of the etching chamber 10 or by coupling the high-frequency magnetic field generated by the ICP coil 11 into the etching chamber 10 charged with reactive gas Ignition of the first gas plasma 21 leads.
  • the application of a high-frequency AC voltage to the substrate electrode 12 thus causes ions contained in the first gas plasma 21 to accelerate toward the substrate 13, which leads to anisotropic etching of, for example, silicon in a known manner.
  • An aperture or an aperture with a cylindrical attachment can also be provided within the etching chamber 10, as is described in detail in DE 197 34 278 C1.
  • the efficiency of the plasma generation in the etching chamber 10 can be increased by the second plasma source 11 by an additional magnetic field. A device suitable for this is described in the application DE 199 33 841.8.
  • the first plasma generating device 31 is further connected to a suction nozzle 14 and a control valve, not shown, so that a defined pressure within the etching chamber 10 can thus be set.
  • the second plasma generating device 30, which is in the form of a Microwave plasma generating device is formed.
  • the second plasma generating device 30 has a microwave generator 20, which is designed in particular in the form of a magnetron or a magnetron tube. This provides a microwave power of 5 to 15 kWatt at a frequency of 2.45 GHz, for example.
  • the microwave power generated by the microwave generator 20 is then further coupled into a cavity resonator 34 which is provided with a tuning device 17 known per se for tuning its resonator length.
  • the tuning device 17 serves to tune the resonance frequency of the cavity resonator 34 to the microwave radiation emitted by the microwave generator 20.
  • the cavity resonator 34 has a known adaptation device 19 for adapting the mode of the coupled microwave radiation to a generated microwave plasma.
  • a circular mode is set in the cavity resonator 34, the mode shape of which can be adapted well to the usually rotationally symmetrical microwave plasma.
  • a directional coupler 35 ensures that, due to, for example, a temporary mismatch in the resonance frequency of the cavity resonator 34 to the incident microwaves in the cavity resonator 34, microwave power that is undesirably reflected can be at least partially dissipated.
  • the cavity resonator 34 preferably has a plurality of such directional couplers 35, known per se, which in turn are based on a so-called
  • Water load are directed, where the microwave power dissipated via the directional coupler (s) 35 from the cavity resonator 34 can be converted into heat in a harmless manner.
  • an alternative can be used other absorbers for microwave radiation can also be used.
  • the second plasma generating device 30 further has at least one second gas supply 16, via which reactive gases or reactive gas mixtures to be fed to the second plasma generating device 30, as are known from DE 42 41 045 C1, are introduced.
  • this second gas supply 16 is designed at least in the immediate vicinity of the cavity resonator 34 in the form of a dielectric tube 22, for example a quartz tube or a ceramic tube, which penetrates the cavity resonator 34.
  • a plasma generation region 33 forms in the cavity resonator 34 within the tube 22, in which a microwave plasma is ignited when a reactive gas is supplied through the second gas supply 16.
  • This microwave plasma has a particularly high power density of, for example, 30 to 100 watts / cm 3 with a typically small volume of only 10 cm 3 to 200 cm 3 .
  • the plasma generation area 33 is located inside the tube 22 in the vicinity of the connection between the first plasma generation device 31 and the second plasma generation device 32.
  • the dielectric tube 22 is designed as a dielectric tube that crosses the cavity resonator 34 and leads into the etching chamber 10, so that the second plasma 18 generated in the plasma generation region 33 from the first plasma generation device 31 via the first gas supply 32 at least can be partially supplied as the first reactive gas to the etching chamber 10. There is then led reactive gas ignited the first gas plasma 21 by the explained inductively coupled plasma excitation.
  • a discharge device 23 is further provided which causes an at least partial discharge of ions and / or electrons from the second plasma 18.
  • This discharge device 23 is designed, for example, in the form of a metallic or ceramic mesh, a perforated plate or a shower head, which means that ions originating from the second gas plasma 18 are neutralized when they pass through the discharge device 23 or are recombined with electrons.
  • the discharge device 23 is permeable, for example, to neutral fluorine radicals or polymer-forming monomers.
  • the unloading device 23 is provided with a heating device, not shown, so that deposition of reactive gases or reactive gas products on the unloading device 23 can be suppressed.
  • the explained plasma etching system 5 is thus designed in the form of a so-called “downstream” arrangement with an upstream microwave plasma generation device and a downstream inductively coupled plasma generation device.
  • the supplied reactive gases flow there immediately before entering the inductively coupled plasma generating device 31 through the cavity resonator 34, where a second gas plasma 18 is ignited or maintained.
  • Breaking up a large part of the reactive gas species in front of the actual etching chamber 10 by means of microwave excitation represents a particularly efficient and cost-effective variant for obtaining a high density of etching species or also passivating species.

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Abstract

Es wird eine Plasmaätzanlage (5) zum insbesondere anisotropen Ätzen eines Substrates (13) durch Einwirken eines Plasmas (21) vorgeschlagen. Dazu ist eine erste, insbesondere induktiv gekoppelte Plasmaerzeugungsvorrichtung (31) vorgesehen, die ein erstes Mittel (11) zum Generieren eines ersten hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes, eine Ätzkammer (10) zur Erzeugung eines ersten Plasmas (21) aus reaktiven Teilchen durch Einwirken des ersten hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes auf ein erstes Reaktivgas mit dem zu ätzenden Substrat (13) und eine erste Gaszuführung (22) aufweist. Dieser ersten Plasmaerzeugungsvorrichtung (31) ist eine zweite Plasmaerzeugungsvorrichtung (32) vorgeschaltet, die ein zweites Mittel (20), insbesondere einen Mikrowellengenerator (20), zum Generieren eines zweiten hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes, einen Plasmaerzeugungsbereich (33) zum Erzeugen eines zweiten Plasmas (18) aus reaktiven Teilchen durch Einwirken des zweiten hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes auf ein zweites Reaktivgas und eine zweite Plasma (18) der ersten Plasmaerzeugungsvorrichtung (31) über die erste Gaszuführung (2) zumindest teilweise als erstes Reaktivgas zuführbar.

Description

Plasmaätzanlage
Die Erfindung betrifft eine Plasmaätzanlage zum insbesondere anisotropen Ätzen eines Substrates durch Einwirken eines Plasmas nach der Gattung des Hauptanspruches .
Stand der Technik
Aus dem Patent DE 42 41 045 Cl ist ein Siliciumhochratenätz- prozess bekannt, bei dem zum Erreichen möglichst hoher Ätz- raten die Erzeugung möglichst hoher Fluorradikalenkonzentrationen erforderlich ist. Dies geschieht durch Einstrahlung entsprechend hoher Hochfrequenzleistungen in die dort eingesetzte induktive Plasmaquelle mit Leistungswerten von typischerweise 3 bis 6 kWatt. Durch eine derart hohe Leistung werden jedoch neben der gewünschten Steigerung der Fluorradikalendichten auch unerwünscht hohe Dichten an Ionen erzeugt, die den Atzprozess stören und für eine möglichst hohe Maskenselektivität schädlich sein können. Darüber hinaus führen derart hohe Dichten an Ionen auch teilweise zu uner- wünscht hohen Auf eizungen des zu ätzenden Substrates und geben dort Anlass zu Profilabweichungen. Insofern muss in dieser bekannten Plasmaätzanlage durch geeignete Vorrichtungen nachträglich, d. h. nach der eigentlichen Plasmaerzeugung, dafür gesorgt werden, dass die Ionendichte auf zuläs- sig niedrige Werte reduziert und vor allem homogenisiert wird, was durch eine Rekombination von Ionen und Elektronen über sogenannte Diffusionsstrecken oder an Aperturkonstruktionen erreicht werden kann. Eine derartige Aperturkonstruktion ist beispielsweise aus dem Patent DE 197 34 278 Cl bekannt. Durch den Einsatz derartiger Aperturkonstruktionen geht der Anteil der Hochfrequenzleistung, der zur Erzeugung unerwünscht hoher Ionendichten eingesetzt wurde, in Form von Warme bzw. Strahlung verloren.
Neben der Problematik unerwünscht hoher Ionendichten bei bekannten Plasmaatzanlagen sind auch die dort erforderlichen hohen Hochfrequenzleistungen von 3 bis 6 kWatt problematisch und kostspielig. Insbesondere fuhren derartig hohe Hochfre- quenzleistungen zu Stabilitatsproblemen innerhalb der Plasmaatzanlage, die meist aus einer mangelhaften Anpassung der Impedanz der Plasmaquelle an die Impedanz des erzeugten Plasmas herrühren. So treten bei einer Fehlanpassung der erzeugten Hochfrequenzleistung an das Plasma sehr leicht Scha- den an den eingesetzten Hochfrequenzkomponenten bzw. -gene- ratoren auf, da dort in diesem Fall hohe elektrische Spannungen bzw. Strome entstehen und eine zerstörerische Wirkung entfalten können.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemaße Plasmaatzanlage hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass damit die zugefuhrten Reaktivgase in hohem Maße aufgebrochen und somit die für die Durch- fuhrung des Prozesses gemäß DE 42 41 045 Cl oder des Prozesses gemäß DE 197 34 278 Cl benotigten Atz- und Passivierspe- zies sehr effektiv freigesetzt werden. Insbesondere kann durch die erfindungsgemaße Plasmaatzanlage aus dem bevorzugt wahrend der Atzschritte eingesetzten Atzgas Schwefelhexaflu- orid eine große Menge an Fluorradikalen freigesetzt, und während der Passivierschritte aus einem Passiviergas wie CF8 auch eine große Menge an teflonartigen Seitenwandpoly- merbildnern (CF2)n generiert werden.
Dabei ist weiter vorteilhaft, dass in der zweiten Plasmaerzeugungsvorrichtung lediglich relativ niedrige Hochfrequenzleistungen von beispielsweise 600 bis 1200 Watt erforderlich sind, die anlagentechnisch und prozesstechnisch keine Pro- bleme bereiten.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So ist es besonders vorteilhaft, wenn die erste Plasmaerzeugungsvorrichtung eine induktiv gekoppelte Plasmaerzeugungsvorrichtung ist, bei der außerhalb der Ätzkammer eine ICP- Quelle bzw. ICP-Spule („Inductively Coupled Plasma") angeordnet ist. Diese induktiv gekoppelte Plasmaerzeugungsvor- richtung ist besonders vorteilhaft weiter mit einer vorgeschalteten Plasmaerzeugungsvorrichtung in Form einer Mikro- wellenplasmaerzeugungsvorrichtung verbunden. Auf diese Weise wird erreicht, dass diese Vorrichtungen im Sinne einer sogenannten „Downstream"-Anordnung verbunden sind, wobei die zu- geführten Reaktivgase unmittelbar vor der induktiv gekoppelten Plasmaerzeugungsvorrichtung durch ein dielektrisches Rohr wie beispielsweise ein Quarzrohr oder ein Keramikrohr fließen, in dem durch intensive Mikrowelleneinstrahlung ein hochdichtes Plasma in einem relativ kleinem Volumen unter- halten wird. Durch dieses Mikrowellenplasma werden die zugeführten Reaktivgase somit schon in hohem Maße aufgebrochen, und die für die Ätzschritte bzw. die Passivierschritte benötigten Ätzspezies bzw. Passivierspezies werden freigesetzt. Dabei ist weiter vorteilhaft, dass die in dem Mikrowellenplasma unvermeidbar ebenfalls mit relativ hoher Dichte erzeugten Ionen vor der Zuführung dieses Plasmas als Reaktivgas in das Plasma der induktiv gekoppelten Plasmaerzeugungs- Vorrichtung zunächst unschädlich gemacht werden können, indem die Mikrowellenplasmaerzeugungsvorrichtung entweder einen ausreichenden Abstand von der eigentlichen Ätzkammer mit der induktiv gekoppelten Plasmaerzeugungsvorrichtung besitzt, so dass durch Volumenrekombinationen bzw. Wandrekom- binationen die unerwünscht hohe Ionendichte in diesem Mikrowellenplasma wieder abgebaut wird, oder, bevorzugt, indem man im Bereich des Eintrittes der Gaszuführung in die erste Plasmaerzeugungsvorrichtung, d. h. beim Übertritt des Mikrowellenplasmas in die Ätzkammer mit der induktiv gekoppelten Plasmaerzeugungsvorrichtung, eine Entladevorrichtung platziert.
Diese Entladevorrichtung ist vorteilhaft ein metallisches oder keramisches Netz, eine Lochplatte bzw. ein Lochblech oder ein sogenannter „Showerhead", d. h. ein „Duschkopf", an dem von dem Mikrowellenplasma herrührende Ionen beim Durchtritt vollständig entladen bzw. mit Elektronen rekombiniert werden. Dabei nutzt man weiter aus, dass eine derartige Entladevorrichtung für neutrale Fluorradikale bzw. polymerbil- dende Monomere völlig neutral agiert. Im Übrigen kann durch eine zusätzliche Heizeinrichtung bzw. eine Beheizung der Entladevorrichtung sichergestellt werden, dass keine unerwünschte Deposition von Reaktivgasen oder Reaktionsprodukten aus den Reaktivgasen auf dieser Entladevorrichtung erfolgt. Eine derartige Beheizung kann schließlich auch passiv erfolgen, da durch den Wärmeeintrag aus dem darüber befindlichen Mikrowellenplasma bereits eine vielfach ausreichende Beheizung gegeben ist. Der Einsatz einer Entladevorrichtung insbesondere in Form eines metallischen Netzes oder Lochbleches verhindert weiter, dass aus der Mikrowellenplasmaerzeugungsvorrichtung Mikrowellenstrahlung in die induktiv gekoppelte Plasmaerzeu- gungsvorrichtung übertritt, so dass dort ein ansonsten erheblicher sicherheitstechnischer Aufwand zur Abschirmung dieser Strahlung unterbleiben kann.
Insgesamt wird durch die Entladevorrichtung somit sehr vor- teilhaft erreicht, dass der eigentlichen Ätzkammer nur neutrale Radikale für die Ätzung bzw. Seitenwandpassivierung zugeführt werden, während geladene Teilchen vor dem Eintritt in die Ätzkammer zumindest weitgehend bereits neutralisiert werden, und weiterhin auch Mikrowellenstrahlung am Eintritt in die Ätzkammer gehindert wird.
Der Einsatz von Mikrowellenstrahlung bzw. der Einsatz eines Mikrowellengenerators in der vorgeschalteten zweiten Plasmaerzeugungsvorrichtung ist besonders kostengünstig, da dank der fortschrittlichen Technik von Mikrowellenerwärmungsgeräten Leistungen im kWatt-Bereich zu außerordentlich günstigen Preisen erzeugt werden können. Dazu werden meist sogenannte Magnetronröhren eingesetzt. Außerdem besteht bei der Mikrowellenanregung nicht das Risiko einer Zerstörung von insbe- sondere elektronischen Komponenten im Falle einer Fehlanpassung, da reflektierte Mikrowellenleistungen in dem eingesetzten, an sich bekannten Hohlraumresonator mittels bekannter Richtkoppler auf eine sogenannte Wasserlast, d. h. einen Absorber für Mikrowellenstrahlung, geleitet bzw. abgeführt werden können. Somit ist es möglich, in der vorgeschalteten zweiten Plasmaerzeugungsvorrichtung mit extrem hohen Leistungen von beispielsweise 5 bis 10 kWatt zu arbeiten, und extrem hohe Dichten an neutralen Radikalen der eigentlichen nachgeschalteten Ätzkammer zur Verfügung zu stellen. Da Flu- orradikale und die die Seitenwandpassivierung aufbauenden Monomere für einen Prozess gemäß DE 42 41 048 Cl relativ langlebig sind und daher große Reichweiten besitzen, sind die Verluste an solchen Spezies bis zum Ort der eigentlichen Ätzreaktion, d. h. am Substrat, vernachlässigbar gering.
Das gemäß DE 42 41 045 Cl durchgeführte Verfahren wird üblicherweise in induktiv gekoppelten Plasmaätzanlagen mit einem Sauerstoffanteil von 5 % bis 10 % des Flusses an Schwefel- hexafluorid als Ätzgas in den Ätzschritten betrieben, um dadurch schädliche Schwefelausscheidungen im Abgasbereich der Anlage zu unterdrücken. Der Sauerstoffanteil, der im Übrigen ausschließlich während der Ätzschritte zugesetzt werden darf, hat bislang keinen weiteren Effekt auf das Ätzergeb- nis, da das Reaktivgas Schwefelhexafluorid unter ICP-
Anregungsbedingungen unter Freisetzung von Fluorradikalen nur bis zum stabilen Schwefeltetrafluorid (SF4) reduziert wird, und bei den relativ geringen Anregungsdichten in induktiv gekoppelten Plasmaerzeugungsvorrichtungen nur ein ge- ringer Teil zu niedrigeren, mit Sauerstoff reaktionsfähigen Schwefel-Fluor-Verbindungen heruntergebrochen wird. Insofern ist bei bisher bekannten Plasmaätzanlagen die Erhöhung der Fluorradikalenkonzentration im Plasma durch Absättigung solcher niedrigerer Schwefel-Fluor-Verbindungen mit Sauerstoff unter weiterer Fluorfreisetzung vernachlässigbar, so dass der Sauerstoffzusatz bislang keinen ätzratensteigernden Effekt ausübt. Dagegen wird nunmehr vorteilhaft durch den Einsatz einer Mikrowellenplasmaerzeugungsvorrichtung, bei der extrem hohe Leistungsdichten in einem sehr kleinen Volumen erzeugt werden, durch den Sauerstoffzusatz erreicht, dass auch solche Reaktionen von Schwefel-Fluor-Verbindungen mit Sauerstoffradikalen in nennenswertem Ausmaß auftreten und dadurch zusätzlich Fluorradikale bereitstellen. Insofern ist im Fall der erfindungsgemäßen Plasmaätzanlage der Zusatz von Sauerstoff nicht mehr neutral hinsichtlich der erzeugten Fluorradikalendichte in der Ätzkammer, sondern er bewirkt eine signifikante Erhöhung der verfügbaren Fluorradikalenmengen und erlaubt damit höhere Ätzraten für Silicium.
Die sich an die zweite Plasmaerzeugungsvorrichtung anschließende erste Plasmaerzeugungsvorrichtung mit der eigentlichen Ätzkammer mit induktiver Plasmaanregung hat somit in.erster Linie die Aufgabe, eine kontrollierte Ionisation des zuge- führten Reaktivgases aus im Wesentlichen neutralen Radikalen und noch unverbrauchten Reaktivgasen zu bewirken. Dazu genügen nun vorteilhaft relativ niedrige Hochfrequenzleistungen von beispielsweise 600 bis 1200 Watt. Neben der Erzeugung der für einen anisotropen tzprozess benötigten Konzentra- tionen an Ionen in der ersten Plasmaerzeugungsvorrichtung dient diese nunmehr in zweiter Linie weiter der zusätzlichen Erzeugung von Ätzspezies bzw. in geringem Umfang von Passi- vierspezies. Dabei hat eine induktive Plasmaanregung gegenüber einer Mikrowellenanregung in der eigentlichen Ätzkammer den Vorteil, dass mittels in der Ätzkammer installierter geeigneter Vorrichtungen, insbesondere Aperturblenden, besonders uniforme Ätzergebnisse über der gesamten Oberfläche des zu ätzenden Substrates erreicht werden.
Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt eine Prinzipskizze einer Plasmaätzanlage im Schnitt.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung geht zunächst aus von einem anisotropen Ätzverfahren zur Ätzung von Silicium mit Hilfe eines Plasmas wie es beispielsweise aus DE 42 41 045 Cl bekannt ist. Dabei werden abwechselnd Passivierschritte und Ätzschritte eingesetzt, wobei während der Ätzschritte als Reaktivgas ein Gemisch von Schwefelhexafluorid und Argon eingesetzt wird, dem zusätzlich Sauerstoff beigemischt sein kann. Während der
Passivierschritte wird ein gasförmiger Fluorkohlenstoff bzw. Fluorkohlenwasserstoff, beispielsweise C4F8 oder CHF3 gegebenenfalls gemischt mit Argon, eingesetzt. Hinsichtlich weiterer Details zu diesem an sich bekannten Prozess sei auf DE 42 41 045 Cl verwiesen. Ausführliche Angaben zur konkreten Prozessführung, insbesondere hinsichtlich der einsetzbaren Gase und Gasflüsse, sind weiter auch der DE 198 26 382 AI zu entnehmen .
Weiterhin geht die erfindungsgemäße Plasmaätzanlage zunächst von einer ersten Plasmaerzeugungsvorrichtung 31 aus, wie sie aus dem Patent DE 197 34 278 Cl bekannt ist. Diese Plasmaerzeugungsvorrichtung 31 wird erfindungsgemäß dadurch modifiziert, dass ihr eine zweite Plasmaerzeugungsvorrichtung 30 vorgeschaltet ist.
Die Figur zeigt zunächst die prinzipiell aus DE 197 34 278 Cl bekannte erste Plasmaerzeugungsvorrichtung 31, die im Bereich einer Entladevorrichtung 23 mit der zweiten Plasmaer- zeugungsvorrichtung 30 verbunden ist. Die erste Plasmaerzeugungsvorrichtung 31 weist weiter eine Ätzkammer 10 auf, der mittels einer ersten Gaszuführung 32 in Form einer dielektrischen Röhre 22 ein Reaktivgas bzw. ein Reaktivgasgemisch zuführbar ist. Weiter ist vorgesehen, dass die erste Plasma- erzeugungsvorrichtung 31 mit einer zweiten Plasmaquelle 11 versehen ist. Die zweite Plasmaquelle 11 ist im erläuterten Beispiels eine ICP-Spule mit einem zugehörigen Hochfrequenzgeneratorbauteil, mit der innerhalb der Ätzkammer 10 ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld generierbar ist, das durch Einwirken auf von dem ersten Reaktivgas bereitgestellte reaktive Teilchen ein erstes Gasplasma 21 im Inneren der Ätzkammer 10 erzeugt bzw. das durch die Einkop- pelung des durch die ICP-Spule 11 erzeugten hochfrequenten Magnetfeldes in der mit reaktiven Gas beschickten Ätzkammer 10 zur Zündung des ersten Gasplasmas 21 führt.
Weiter ist in der Ätzkammer 10 ein Substrat 13, beispielsweise ein Siliciumwafer, vorgesehen, der mit einer Substra- telektrode 12 elektrisch verbunden ist, die selbst über eine Leitung 15 mit einer nicht dargestellten Hochfrequenz- Spannungsquelle verbunden ist. Das Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung an die Substratelektrode 12 bewirkt somit ein Beschleunigen von in dem ersten Gasplasma 21 ent- haltenen Ionen in Richtung auf das Substrat 13, was in bekannter Weise zu einer anisotropen Ätzung von beispielsweise Silicium führt.
Innerhalb der Ätzkammer 10 kann weiterhin eine Apertur oder eine Apertur mit einem zylindrischen Aufsatz vorgesehen sein, wie dies ausführlich in DE 197 34 278 Cl beschrieben ist. Darüber hinaus kann die Effizienz der Plasmaerzeugung in der Ätzkammer 10 durch die zweite Plasmaquelle 11 durch ein zusätzliches Magnetfeld noch gesteigert werden. Eine da- zu geeignete Vorrichtung ist in der Anmeldung DE 199 33 841.8 beschrieben.
Im Übrigen ist die erste Plasmaerzeugungsvorrichtung 31 weiter mit einem Absaugstutzen 14 und einem nicht dargestellten Regelventil verbunden, so dass damit ein definierter Druck innerhalb der Ätzkammer 10 einstellbar ist.
Der ersten Plasmaerzeugungsvorrichtung 31 vorgeschaltet ist die zweite Plasmaerzeugungsvorrichtung 30, die in Form einer Mikrowellenplasmaerzeugungsvorrichtung ausgebildet ist. Dazu weist die zweite Plasmaerzeugungsvorrichtung 30 einen Mikrowellengenerator 20 auf, der insbesondere in Form eines Magnetrons oder einer Magnetronröhre ausgebildet ist. Dieser stellt beispielsweise eine Mikrowellenleistung von 5 bis 15 kWatt bei einer Frequenz von 2,45 GHz zur Verfügung. Die von dem Mikrowellengenerator 20 erzeugte Mikrowellenleistung wird dann weiter in einen Hohlraumresonator 34 eingekoppelt, der zur Abstimmung seiner Resonatorlänge mit einer an sich bekannten Abstimmvorrichtung 17 versehen ist. Die Abstimmvorrichtung 17 dient zur Abstimmung der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators 34 auf die von dem Mikrowellengenerator 20 abgegebene Mikrowellenstrahlung.
Weiter ist vorgesehen, dass der Hohlraumresonator 34 eine an sich bekannte Anpassvorrichtung 19 zur Anpassung der Mode der eingekoppelten Mikrowellenstrahlung an ein erzeugtes Mikrowellenplasma aufweist. Darüber wird in dem Hohlraumresonator 34 eine zirkuläre Mode eingestellt, die hinsichtlich ihrer Modenform gut an das üblicherweise rotationssymmetri- sche Mikrowellenplasma angepasst werden kann.
Schließlich sorgt ein Richtkoppler 35 dafür, dass infolge einer beispielsweise temporären Fehlanpassung der Resonanz- frequenz des Hohlraumresonators 34 an die eingestrahlten Mikrowellen in dem Hohlraumresonator 34 auftretende, in unerwünschter Weise reflektierte Mikrowellenleistungen zumindest teilweise abführbar sind. Der Hohlraumresonator 34 weist dazu bevorzugt eine Mehrzahl derartiger, an sich bekannter Richtkoppler 35 auf, die ihrerseits auf eine sogenannte
„Wasserlast" gerichtet sind, wo die über den oder die Richtkoppler 35 aus dem Hohlraumresonator 34 abgeführte Mikrowellenleistung in unschädlicher Weise in Wärme verwandelt werden kann. Insofern kann anstelle einer Wasserlast alternativ auch sonstiger Absorber für Mikrowellenstrahlung eingesetzt werden.
Die zweite Plasmaerzeugungsvorrichtung 30 weist weiter min- destens eine zweite GasZuführung 16 auf, über die der zweiten Plasmaerzeugungsvorrichtung 30 zuzuführende Reaktivgase bzw. Reaktivgasgemische, wie sie aus DE 42 41 045 Cl bekannt sind, eingeleitet werden. Im erläuterten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass diese zweite Gaszuführung 16 zumindest in unmittelbarer Umgebung des Hohlraumresonators 34 in Form einer dielektrischen Röhre 22, beispielsweise einer Quarzröhre oder einer Keramikröhre, ausgeführt ist, die den Hohlraumresonator 34 durchdringt. Insofern bildet sich in dem Hohlraumresonator 34 innerhalb der Röhre 22 ein Plasmaerzeu- gungsbereich 33 aus, in dem bei Zufuhr eines Reaktivgases durch die zweite Gaszuführung 16 ein Mikrowellenplasma gezündet wird. Dieses Mikrowellenplasma weist eine besonders hohe Leistungsdichte von beispielsweise 30 bis 100 Watt/cm3 bei einem typischerweise kleinen Volumen von lediglich 10 cm3 bis 200 cm3 auf.
In dem erläuterten Ausführungsbeispiel ist weiter vorgesehen, dass sich der Plasmaerzeugungsbereich 33 innerhalb der Röhre 22 in einer Umgebung der Verbindung der ersten Plasma- erzeugungsvorrichtung 31 mit der zweiten Plasmaerzeugungsvorrichtung 32 befindet. Insbesondere ist vorgesehen, dass die dielektrische Röhre 22 als den Hohlraumresonator 34 bereichsweise durchquerende, in die Ätzkammer 10 führende dielektrische Röhre ausgebildet ist, so dass das in dem Plasma- erzeugungsbereich 33 erzeugte zweite Plasma 18 aus der ersten Plasmaerzeugungsvorrichtung 31 über die erste Gaszuführung 32 zumindest teilweise als erstes Reaktivgas der Ätzkammer 10 zuführbar ist. Dort wird dann mit dem derart zuge- führten Reaktivgas das erste Gasplasma 21 durch die erläuterte induktiv gekoppelte Plasmaanregung gezündet.
Im Bereich des Übergangs der dielektrischen Röhre 22 bzw. der ersten Gaszuführung 32 von der zweiten Plasmaerzeugungsvorrichtung 30 in die erste Plasmaerzeugungsvorrichtung 31 ist weiter eine Entladevorrichtung 23 vorgesehen, die eine zumindest teilweise Entladung von Ionen und/oder Elektronen aus dem zweiten Plasma 18 bewirkt. Diese Entladevorrichtung 23 ist beispielsweise in Form eines metallischen oder keramischen Netzes, einer Lochplatte oder eines Duschkopfes ausgebildet, was dazu führt, dass aus dem zweiten Gasplasma 18 herrührende Ionen beim Durchtritt durch die Entladevorrichtung 23 neutralisiert bzw. mit Elektronen rekombiniert wer- den. Gleichzeitig ist die Entladevorrichtung 23 beispielsweise für neutrale Fluorradikale bzw. polymerbildende Mono- mere durchlässig.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist weiter vorgesehen, dass die Entladevorrichtung 23 mit einer nicht dargestellten Heizvorrichtung versehen ist, so dass eine Deposition von Reaktivgasen oder Reaktivgasprodukten auf der Entladevorrichtung 23 unterdrückt werden kann. Die Entladevorrichtung 23 bewirkt weiter, sofern sie aus einem Metall ausgebildet ist, eine Abschirmung der Mikrowellenstrahlung aus dem Hohlraumresonator 34 gegenüber der Ätzkammer 10, so dass diese nicht in die erste Plasmaerzeugungsvorrichtung 31 übertreten kann.
Insgesamt ist die erläuterte Plasmaätzanlage 5 somit in Form einer sogenannten „Downstream"-Anordnung mit einer vorgeschalteten Mikrowellenplasmaerzeugungsvorrichtung und einer nachgeschalteten induktiv gekoppelten Plasmaerzeugungsvorrichtung ausgeführt. Die zugeführten Reaktivgase strömen da- bei unmittelbar vor dem Eintreten in die induktiv gekoppelte Plasmaerzeugungsvorrichtung 31 durch den Hohlraumresonator 34 hindurch, wo ein zweites Gasplasma 18 gezündet bzw. unterhalten wird. Durch eine Kombination einer an sich bekann- ten Mikrowellenplasmaquelle in Verbindung mit einem „Ionen- neutralisator" in Form der Entladevorrichtung 23 zur Erzeugung eines im Wesentlichen ionenfreien radikalen Gemisches aus einem zugefuhrten Reaktivgas, und einer nachgeschalteten, induktiv gekoppelten Plasmaerzeugungsvorrichtung im Sinne einer hybriden Anordnung können somit extrem hohe Atzraten beispielsweise beim Atzen von Silicium erreicht werden, ohne dass die sonst auftretenden schädlichen Nebeneffekte wie Substraterwarmung, Selektivitatsverlust oder Pro- filstorungen auftreten.
Das Aufbrechen eines großen Teils der Reaktivgasspezies vor der eigentlichen Atzkammer 10 mittels Mikrowellenanregung stellt dabei eine besonders effiziente und kostengünstige Variante zur Gewinnung einer hohen Dichte von Atzspezies bzw. auch Passivierspezies dar.
In diesem Zusammenhang sei weiter betont, dass kommerziell erhaltliche induktiv gekoppelte Plasmaerzeugungsvorrichtungen 31 in einfacher Weise nachtraglich mit einer zusatzli- chen zweiten Plasmaerzeugungsvorrichtung in Form einer Mi- krowellenplasmaerzeugungsvorrichtung aufgerüstet werden können.

Claims

Ansprüche
1. Plasmaätzanlage zum insbesondere anisotropen Ätzen eines Substrates durch Einwirken eines Plasmas, mit einer ersten Plasmaerzeugungsvorrichtung, die ein erstes Mittel zum Generieren eines ersten hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes, eine Ätzkammer zur Erzeugung eines er- sten Plasmas aus reaktiven Teilchen durch Einwirken des ersten hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes auf ein erstes Reaktivgas und eine erste Gaszuführung aufweist, wobei das zu ätzende Substrat in der Ätzkammer angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Plasmaerzeu- gungsvorrichtung (31) eine zweite Plasmaerzeugungsvorrichtung (32) vorgeschaltet ist, die ein zweites Mittel (20) zum Generieren eines zweiten hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes, einen Plasmaerzeugungsbereich (33) zum Erzeugen eines zweiten Plasmas (18) aus reaktiven Teilchen durch Einwirken des zweiten hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes auf ein zweites Reaktivgas und eine zweite Gaszuführung (16) aufweist, wobei das zweite Plasma (18) der ersten Plasmaerzeugungsvorrichtung (31) über die erste Gaszuführung (32) zumindest teilweise als erstes Reaktivgas zu- führbar ist.
2. Plasmaätzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Plasmaerzeugungsvorrichtung (31) eine induktiv gekoppelte Plasmaerzeugungsvorrichtung ist, die als erstes Mittel mindestens eine ICP-Spule (11) aufweist.
3. Plasmaätzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Plasmaerzeugungsvorrichtung (31) eine über eine Zuleitung (15) mit einer Hochfrequenz- Spannungsquelle verbundene Substratelektrode (12) aufweist, mit der ein in dem ersten Plasma (21) enthaltener Ionenstrom auf das Substrat (13) beschleunigbar ist.
4. Plasmaätzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel (20) ein Mikrowellengenerator
(20) , insbesondere ein Magnetron oder eine Magnetronröhre, ist, und dass die zweite Plasmaerzeugungsvorrichtung (32) eine Mikrowellenplasmaerzeugungsvorrichtung ist.
5. Plasmaätzanlage nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Plasmaerzeugungsvorrichtung (32) einen Hohlraumresonator (34) aufweist.
6. Plasmaätzanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraumresonator (34) eine Abstimmvorrichtung (17) zur Abstimmung der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators (34) aufweist.
7. Plasmaätzanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraumresonator (34) eine Anpassvorrichtung (19) zur Anpassung einer durch die Mikrowellen- plasmaerzeugungsvorrichtung erzeugten Mikrowellenmode an das zweite Plasma (18) aufweist.
8. Plasmaätzanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenplasmaerzeugungsvorrichtung mindestens einen Richtkoppler (35) aufweist und mit einem Absor- ber für Mikrowellenstrahlung, insbesondere einer Wasserlast, in Verbindung steht.
9. Plasmaätzanlage nach mindestens einem der vorangehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Plasmaerzeugungsvorrichtung (31) und die zweite Plasmaerzeugungsvorrichtung (32) über eine dielektrische Röhre (22) , insbesondere ein Quarzrohr oder ein Keramikrohr, gasdurchgängig miteinander verbunden sind, wobei die dielektrische Röhre (22) mit der ersten Gaszuführung (32) und der zweiten GasZuführung (16) gasdurchgängig in Verbindung steht.
10. Plasmaätzanlage nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Plasma- erzeugungsbereich (33) innerhalb des Hohlraumresonators (34) in einer Umgebung der Verbindung der ersten Plasmaerzeugungsvorrichtung (31) mit der zweiten Plasmaerzeugungsvorrichtung (32) im Inneren der den Hohlraumresonator bereichsweise durchquerenden dielektrischen Röhre (22) befindet.
11. Plasmaätzanlage nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Röhre (22) die zweite Gaszuführung (16) bildet.
12. Plasmaätzanlage nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Plasmaerzeugungsvorrichtung (31) und der zweiten Plasmaerzeugungsvorrichtung (32) eine Entladevorrichtung (23) vorgesehen ist, die eine zumindest teilweise Entladung von Ionen und/oder Elektroden aus dem zweiten Plasma (18) bewirkt.
13. Plasmaatzanlage nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladevorrichtung (23) beheizbar ist.
14. Plasmaatzanlage nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladevorrichtung (23) innerhalb der dielektrischen Rohre (22) und/oder im Bereich des Eintrittes der ersten Gaszufuhrung (32) in die erste Plasmaerzeugungsvorrichtung (31) angeord- net ist.
15. Plasmaatzanlage nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladevorrichtung (23) ein metallisches oder keramisches Netz, eine Lochplatte oder ein Duschkopf ist.
16. Plasmaatzanlage nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladevorrichtung (23) zwischen der ersten Plasmaerzeugungsvorrich- tung (31) und der zweiten Plasmaerzeugungsvorrichtung (32) derart angeordnet ist, dass das der ersten Plasmaerzeugungsvorrichtung (31) über die erste Gaszufuhrung (32) zufuhrbare erste Reaktivgas zumindest nahezu vollständig durch die Entladevorrichtung (23) durchtritt.
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