DE3854875T2

DE3854875T2 - Verfahren zur Selbstreinigung einer Reaktionskammer

Info

Publication number: DE3854875T2
Application number: DE3854875T
Authority: DE
Inventors: Mei Chang; Kenneth Stuart Collins; Kam Shing Law; Cissy Leung; Ching Cheong Tang; David Nin-Kou Wang; Jerry Yuen Kui Wong
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1987-06-26
Filing date: 1988-06-27
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2008-06-28
Also published as: ATE133006T1; EP0296891B1; GR3019492T3; DE3854875D1; EP0296891A2; JP2618445B2; ES2081806T3; EP0296891A3; JPS6487773A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Selbstreinigungsprozesse für Reaktorkammern, wie sie in unserer EP-A-0 272 140 mit dem Titel "Thermischer CVD/PECVD-Reaktor und Verwendung für die thermische chemische Dampfabscheidung von Siliziumdioxid sowie mehrstufiges In-Situ-Planarisierungs-Verfahren" beschrieben sind.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor und auf Verfahren zur Durchführung einzelner Behandlungsschritte und mehrfacher In-Situ-Behandlungsschritte für integrierte Schaltungen, einschließlich thermische CVD, plasmagestützte chemische Dampfabscheidung (PECVD) und Filmrückätzung. Die vorliegende Erfindung betrifft auch Verfahren zur Ausbildung von konformen planaren dielektrischen Schichten auf IC-Wafern. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ferner Trokkenprozeßabfolgen für eine Selbstreinigung des Reaktors in situ, ohne daß der Reaktor demontiert werden muß oder ein zeitraubendes, potentiell gefährliches, nasses chemisches Reinigen zum Einsatz gelangt.
Der hier beschriebene Reaktor ist für die Behandlung von Elementen mit sehr kleiner Geometrie geeignet, die auch von kleinen Mengen sehr kleiner Teilchen äußerst beeinflußbar sind. Obwohl dieser Reaktor bei einem Druck arbeitet, der relativ höher ist als der herkömmlicher Reaktoren, erzeugt er eine langlebige Spezies, die noch in dem Abführsystem und in den stromab liegenden Abführsystembauteilen für das Drosselventil zu einem Niederschlag führen kann. Obwohl also der Betrieb des vorliegenden Reaktors sauberer als der herkömmlicher Reaktoren ist und obwohl ein Reinigen weniger häufig durchgeführt werden kann, ist es in hohem Maße erwünscht, die Reaktorkammer und das Vakuumsystem reinigen zu können, um eine Verunreinigung der teilchenempfindlichen Elemente mit kleiner Geometrie zu verhindern und um einen Langzeitbetrieb der Bauteile, wie des Drosselventils, zu gewährleisten.
Die WO-A-8606887 offenbart ein Reinigungssystem für eine Kammer mit chemischer Dampfabscheidung zum In-Situ-Reinigen der LPCVD-Röhrenkammern oder der RPE-Glasglockenkammern mit einem Basiselement, das so ausgebildet ist, daß eine Vakuumdichtung bei Eingriff mit dem Ladeende der Kammer erzeugt wird, mit wenigstens einer mit Strom versorgten Elektrode, die so ausgebildet ist, daß sie von dem Basiselement in die Kammer vorsteht, mit wenigtens einer geerdeten Elektrode, die so ausgebildet ist, daß sie von dem Basiselement in die Kammer vorsteht, mit einer Einrichtung zum Einführen von Gas in die Kammer und mit einem elektrischen Leitungsnetz, das so ausgebildet ist, daß ein hochfrequentes elektrisches Feld zwischen der mit Strom versorgten Elektrode und der geerdeten Elektrode erzeugt wird, wodurch ein Plasma in der Kammer durch die Interaktion des Gases und des HF-Feldes erzeugt wird, wobei das Plasma so wirkt, daß es unerwünschte Ablagerungen von der Innenwand der Kammer wegätzt.
Die US-A-4529474 offenbart ein Verfahren zum Reinigen einer Vorrichtung für die Ausbildung einer Filmablage auf einem Substrat, um die Substanzen zu entfernen, die an der Innenwand einer Reaktionskammer im Verlauf der Filmabscheidung auf dem Substrat haften, indem mit einer Plasmareaktion geätzt wird, bei welcher ein Gasgemisch aus Kohlenstofftetrafluorid und Sauerstoff als Ätzmittel verwendet wird.
Die oben erwähnte EP-A-0 272 140 offenbart Verfahren zur Selbstreinigung einer Reaktionskammer, bei welchen der Kammer ein Ätzgas zugeführt und zwischen dem Gasverteiler und den Waferträgern der Kammer eine HF-Leistung angelegt wird.
Die EP-A-0 272 142 offenbart ebenfalls eine selbstreinigende Reaktorkammer, in welcher zum Ätzen der inneren Kammeroberflächen eine Mischung mit fluoriertem Gas eingesetzt wird.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen vielseitigen Reaktor für die Behandlung von Einzelwaferhalbleitern und eine zugehörige Vielzahl von Abläufen zu schaffen, zu denen die thermische chemische Dampfabscheidung, die plasmagestützte chemische Dampfabscheidung und die plasmagestützte Rückätzung gehören, die allein und in situ in einer Mehrfachprozeßfolge ausgeführt werden können.
Ein verwandtes Ziel besteht in der Schaffung einer Prozeßtechnologie für die Selbstreinigung eines Plasmareaktors, die in situ anwendbar ist, ohne daß dabei Kammerbauteile demontiert oder entfernt werden.
Ein weiteres abhängiges Ziel besteht darin, ein Verfahren zum Reinigen sowohl einer Reaktorkammer als auch ihres Abführsystems in situ in einer einzigen kontinuierlichen Prozeßfolge bereitzustellen.
Diese Erfindung stellt ein Verfahren zur Selbstreinigung einer Reaktorkammer bereit, welche eine Gaseinlaßverteilerelektrode und eine angrenzende parallele wafertragelektrode hat, wobei der Abstand zwischen ihnen einstellbar ist, mit dem einen Schritt, bei welchem ein Gasgemisch, das fluoriertes Gas aufweist, in die Kammer über die Gaseinlaßverteilerelektrode eingeführt wird, HF-Leistung zwischen der Gaseinlaßverteilerelektrode und der Wafertragelektrode angelegt wird, die Kammer auf einem ersten Druck gehalten wird, um ein Ätzplasma der Gasmischung zu bilden, und die Gaseinlaßverteilerelektrode und die Wafertragelektrode einen ersten Abstand haben, der für Ätzabscheidungen von wenigstens der Gaseinlaßverteilerelektrode und der Wafertragelektrode ausgewählt wird, und mit dem weiteren Schritt, bei welchem ein fluoriertes Gas in die Kammer über die Gaseinlaßverteilerelektrode eingeführt wird, während HF-Leistung zwischen der Gaseinlaßverteilerelektrode und der Wafertragelektrode angelegt wird, um ein Ätzplasma des fluorierten Gases zu bilden, während die Kammer auf einem zweiten Druck gehalten wird, der niedriger ist als der erste Druck, damit sich das Ätzplasma über die ganze Kammer ausdehnen kann, und die Verteilerelektrode und die Wafertragelektrode zum Ätzen im wesentlichen über der ganzen Kammer auf einem zweiten Abstand gehalten werden, der größer ist als der erste Abstand.
Insbesondere kann der eine Schritt der Ätzabscheidungen aus der Gaseinlaßverteilerelektrode und den Wafertragelektroden zuerst ausgeführt werden, worauf der Schritt des Ätzens über die ganze Kammer folgt.
Die Erfindung schließt auch ein Verfahren zum Verwenden einer mit HF-Leistung beaufschlagten Reaktorkammer ein, die eine Gaseinlaßverteilerelektrode und ein Vakuumauslaßsystem aufweist, wobei für die Selbstreinigung dadurch gesorgt wird, daß zuerst wenigstens eine Siliziumoxidschicht auf in der Kammer angeordnetem Substrat abgeschieden und dann der obige lokale Reinigungsschritt durchgeführt wird. Weiterhin können ein oder mehrere Zyklen dieser Abscheidung und der lokalen Reinigungssequenzen verwendet werden, ehe sowohl die lokale Reinigung als auch ausgedehnte Reinigungssequenzen auf die Abscheidung folgend verwendet werden, um den gesamten Reaktor und den Auslaß völlig zu reinigen.
Das folgende ist eine Beschreibung einiger spezieller Ausführungen der Erfindung in Verbindung mit den nachstehenden Zeichnungen, in denen
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführung des kombinierten CVD/PECVD-Reaktors ist, der bei der Verwirklichung der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird und mit offenem Deckel dargestellt ist,
Fig. 2 ein teilweise schematischer Vertikalschnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1 ist, wobei der Deckel geschlossen ist,
Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht von Fig. 2 ist, die die Prozeßgas- und Reinigungsgasverteilersysteme detaillierter zeigt, und
Fig. 4 eine vergrößerte teilweise Unteransicht des Gasverteilerkopfs oder Verteilers ist.

I. Selbstreinigender CVD/PECVD-Reaktor

A. Übersicht über den CVD/PECVD-Reaktor

Die Beschreibung des Reaktors 10 erfolgt an dieser Stelle, um das Verständnis des vorliegenden Reaktorselbstreinigungsprozesses in seiner bevorzugten Anwendung zu erleichtern. Die Oxidabscheidung und die Ätzprozesse, die hier beschrieben werden, sind jedoch bei anderen Reaktoren einsetzbar und sind auch nur unter Bezugnahme auf die Abschnitte II und III, d.h. ohne Bezugnahme auf Abschnitt I zu verstehen.
Fig. 1 und 2 sind eine Draufsicht auf einen Einzelwaferreaktor 10, welcher der gegenwärtig bevorzugte Reaktor für die Ausführung der vorliegenden Erfindung ist und der mit in die Offenstellung geschwenktem Deckel gezeigt ist, bzw. ein Vertikalschnitt durch den Reaktor 10.
Das Reaktorsystem 10 hat unter primärer Bezugnahme auf diese beiden Figuren ein Gehäuse 12 (auch als "Kammer" bezeichnet), das gewöhnlich aus Aluminium hergestellt ist und eine innere Vakuumkammer 13 bildet, die einen Plasmabehandlungsbereich 14 hat. Das Reaktorsystem 10 hat weiterhin einen Waferhaltesuszeptor 16 und ein spezielles Wafertransportsystem 18 (Fig. 1) mit vertikal beweglichen Wafertragfingern 20 und Suszeptortragfingern 22. Wie in den EP-A-0 272 140 und EP-A-0 272 141 mit dem Titel "Integriertes Mehrfachkammer-Prozeßsystem" beschrieben ist, wirken diese Finger mit einem externen Robotblatt 24 (Fig. 1) zum Einführen von Wafern 15 in den Prozeßbereich oder in die Kammer 14 und zum Abscheiden der Wafer 15 auf dem Suszeptor 16 für die Behandlung und dann für das Entfernen der Wafer 15 von dem Suszeptor 16 und aus der Kammer 12 zusammen. Das Reaktorsystem 10 hat weiterhin einen Prozeß-/Reinigungsgasverteiler oder "Kasten" 26, der der Kammer 13 Prozeßgas und Reinigungsgas zuführt, ein HF-Leistungsversorgungs- und Anpassungnetzwerk 28 zum Erzeugen und Erhalten eines Prozeßgasplasmas aus dem Einlaßgas sowie ein Lampenheizsystem 30 zum Erwärmen des Suszeptors 16 und des Wafers 15, der auf dem Suszeptor angeordnet ist, um die Abscheidung auf dem Wafer zu bewirken. Das Lampenheizsystem ist im einzelnen in der genannten Patentanmeldung von Wang et al. beschrieben. Vorzugsweise wird eine Hochfrequenzleistung von 13,56 MHz verwendet, es können jedoch auch niedrige Frequenzen eingesetzt werden.
Der Gasverteiler 26 ist Teil eines speziellen Prozeß- und Reinigungsgasverteilungssystems 32 (Fig. 2 und 3), das so ausgelegt ist, daß das Prozeßgas gleichförmig radial nach außen über den Wafer 15 strömt, um eine gleichmäßige Abscheidung über dem Wafer zu begünstigen und um das verbrauchte Gas und mitgeführte Produkte radial nach außen von dem Rand des Wafers 15 sowohl an seiner Oberseite als auch an seiner Unterseite zu reinigen, um eine Abscheidung auf (und in) dem Gasverteiler oder Kasten 26 und der Kammer 12 im wesentlichen auszuschließen. Der Gasverteiler ist im einzelnen in der genannten Stammpatentanmeldung von Wang et al. beschrieben.
Ein Flüssigkeitskühlsystem 34 steuert die Temperatur der Bauteile der Kammer 12 und einschließlich speziell die Temperatur des Gasverteilers oder Kastens 26. Die Temperatur der Gaskastenkomponenten wird so gewählt, daß ein zu frühes Abscheiden in dem Gaskasten/Verteiler 26 stromauf von der Prozeßkammer 14 ausgeschlossen wird.
Das Reaktorsystem 10 hat eine spezielle HF/Gasdurchführvorrichtung 36 (Fig. 2), die dem HF-gespeisten Gasverteiler 26 Prozeß- und Reinigungsgas von einer elektrisch geerdeten Versorgung zuführt. Das Anlegen der HF-Energie an den Gaskasten oder Verteiler 26 hat den Vorteil, daß der Wafer auf der geerdeten Gegenelektrode oder dem Suszeptor 16 liegt, was ein hohes Ausmaß an Plasmaeinschnürung ermöglicht, das nicht erreichbar wäre, wenn die HF-Energie an den Wafer angelegt und der Gaskasten geerdet würde. Zusätzlich ist die Ausrüstung mechanisch und elektrisch einfacher, da eine elektrische Isolierung zwischen Wafer/Suszeptor und der Kammer nicht erforderlich (oder zugelassen) ist. Die Temperaturmessung und -steuerung von Suszeptor/Wafer ist bei Vorhandensein von hochfrequenten elektrischen und magnetischen Feldern bei geerdetem Suszeptor 16 stark vereinfacht. Ferner ist die Durchführung 36 starr, wodurch flexible Gasanschlüsse vermieden werden und der Reinigungsgas-Strömungsweg jegliches Leckageprozeßgas sicher in die Kammer zum Kammerauslaß transportiert. Das Anlegen von HF-Leistung an den Gasverteiler wird (trotz der innewohnenden Tendenz eines Hochpotential-HF-Betriebs zur Bildung eines Abscheideplasmas in der Durchführung) durch die spezielle Auslegung der Durchführung möglich, bei der das HF-Potential gleichmäßig über der Länge der Durchführung abfällt, wodurch eine Plasmaentladung in ihr unterbunden wird. Die HF/Gas-Durchführung 16 ist im einzelnen in der genannten Stammpatentanmeldung von Wang et al. beschrieben.

B. Gasverteiler 26 und zugehöriges Verteilungssystem

Das Gasverteilungssystem 32 ist so aufgebaut, daß es eine spezielle Kombination von wenigstens vier baulichen Bestandteilen bereitstellt. Zum ersten bildet der Gasverteiler 26 eine Hälfte (die mit Strom gespeiste Hälfte) eines Elektrodenpaars. Der mit Strom gespeiste Verteiler 26 stellt eine hohe Leistung bereit. Als zweites sind der Gasverteiler 26 und andere Gasverteilungsflächen temperaturgesteuert, was dazu beiträgt, die Abscheidung auf dem Wafer 15 gleichförmig zu machen, und was eine Zersetzung, Abscheidung oder Kondensation von Gas in dem Gasverteilungssystem stromauf von dem Plasmabehandlungsbereich 14 trotz der Verwendung von Reaktionsteilnehmergasen wie TEOS unterbindet, welches kondensiert, beispielsweise bei 35ºC, und welches sich auch zersetzt oder bei einer etwas höheren Temperatur von beispielsweise 75ºC mit Ozon reagiert. Die Verteileraußentemperatur wird reguliert, beispielsweise auf > 100ºC, um die Abscheidung von flockigen, teilchenverursachenden Niederschlägen zu verhindern. Zum dritten ergeben der Gasverteiler 26 und das Gasverteilungssystem 32 einen sauberen gleichförmigen Abscheidungsprozeß. Viertens unterbindet der eingeschlossene Umfangsreinigungsgasstrom eine Abscheidung außerhalb des Gasverteilungsbereichs, d.h. außerhalb des Wafers auf den Kammerinnenflächen und den Flächen des Gasverteilungssystems.
Die obengenannten Bestandteile des Gasverteilungssystems 32 sind am deutlichsten in der Vertikalschnittansicht von Fig. 2 und in der vergrößerten Vertikalschnittansicht von Fig. 3 dargestellt. Der Gasverteiler 26 und das zugeordnete Verteilungssystem sind Teil des Gehäusedeckels 80, der schwenkbar an dem Gehäuse 12 durch Schwenkeinrichtungen (nicht gezeigt) gehalten ist, um den Zugang zum Innenraum des Gehäuses mit der Kammer 13, der Plasmabehandlungskammer 14 und zugehörigen Innenkomponenten der Wafer- und Suszeptorhubmechanismen (44, 46) zu erleichtern.
Der Prozeßgasstrom aus der Durchführung 36 ist in den Deckel 80 durch eine Einlaßbohrung 88 gerichtet, die mit der Gasverteilerkammer 90 verbunden ist, d.h. in sie mündet, die von der mit Öffnungen versehenen Verteilerfrontplatte 92 gebildet wird. In der Gasverteilerkammer 90 ist eine speziell ausgelegte Trennplatte 94 beispielsweise mittels Distanzstücken (nicht gezeigt) angeordnet, um das Prozeßgas um die Außenseite des Randes der Trennwand 94 und dann radial nach innen längs des Bodens der Trennwand und aus den Öffnungen 96-96 in der Verteilerplatte heraus in den Plasmabehandlungsbereich 14 über dem Wafer 15 zu führen.
Der Deckel 80 mit seinem Verteiler 26 wird durch einen internen Strom eines Fluids oder einer Flüssigkeit, wie entionisiertes Wasser, längs eines Innenwegs 81 erwärmt (oder gekühlt), der von einem Einlaßkanal 82, einem Ringkanal 84 und einem Auslaßkanal 86 gebildet wird. Vorzugsweise hält dieser Strom die Frontplatte 92 in einem engen Bereich, beispielsweise von 100ºC bis 200ºC, um zu gewährleisten, daß jegliche Abscheidung auf der Fläche des Gasverteilers, die dem Plasma ausgesetzt ist, ein harter Film ist. Ein mangelhafter, auf dieser Fläche gebildeter Film kann zur Erzeugung von Teilchen führen, was vermieden werden muß. Der Strom hält vorzugsweise auch die Trennwand 94 in dem Bereich von 35ºC bis 60ºC, der am meisten bevorzugt wird, um eine interne Abscheidung oder Kondensation von Prozeßgasen mit niedrigem Dampfdruck, wie TEOS, und um eine Zersetzung und Reaktionen von Gasen, wie TEOS und Ozon, zu unterbinden. Es sei vermerkt, daß eine solche Abscheidung direkt proportional zur Zeit und Temperatur (t, T) ist. Somit vermindert der sehr kleine Spalt von etwa 0,254 x 10&supmin;² bis 0,508 x 10&supmin;² m (0,1 bis 0,2 Zoll) zwischen den Platten 94 und 92 auch jegliche Neigung zur internen Abscheidung.
Beispielsweise werden bei einer die Abscheidung von Siliziumdioxid einschließenden Prozeßanwendung Sauerstoff, TEOS und ein Trägergas vom Verteiler 26 in die Kammer 14 bei einem Kammerdruck von 0,666 x 10² bis 266,64 x 10² N/m² (0,5 bis 200 Torr) zur Bildung einer Reaktionsteilnehmerspezies für die Abscheidung eingeführt. Ein Wafer 15 wird auf 375ºC erhitzt und es wird heißes entionisiertes Wasser (Wassertemperatur von 40ºC bis 65ºC) längs des Wegs 81 in einem adäquaten Strom eingeführt, um die Platte 92 auf < 65ºC zu halten, um eine Kondensation des TEOS zu verhindern und um die Platte 94 auf > 100ºC zu halten. (Entionisiertes Wasser wird verwendet, weil der Verteiler 26 die mit HF-Leistung beaufschlagte Kathode und entionisiertes Wasser ein Nichtleiter ist.) Allgemeiner ausgedrückt wird die Einlaßtemperatur des Wassers so gewählt, wie sie für einen speziellen Abscheideprozeß und seine zugehörige Gaschemie und/oder andere Parameter erforderlich ist, um sowohl die Innenflächen als auch die Außenflächen des Gaskastens 90 auf gewünschten Temperaturen zu halten.
Um es nochmals zu wiederholen, der Prozeßgasstrom verläuft längs des Weges 91, der von der Einlaßbohrung 88 gebildet wird, in die Verteilerkammer 90 radial nach außen zum Rand der Trennwand 94 und um den Trennwandumfang zu deren Boden, dann radial nach innen zwischen der Trennwand 94 und der Verteilerplatte 96 und nach außen durch die Löcher 96-96 in den Plasmabehandlungsbereich 14 über den Wafer 15. Der Strömungsweg des Abscheidungsgases, das aus den Löchern 96-96 austritt, verläuft insgesamt radial nach außen über den Wafer.
Zusätzlich tragen das kleine Volumen der Vakuumbehandlungskammer 14 und der hohe nutzbare Kammerdruckbereich von etwa 0,666 x 10² N/m² (0,5 Torr) bis in die Nähe des Atmosphärendrucks auch zu der Tendenz bei, einen gleichförmigen Strom radial nach außen von der Mitte des Wafers 15 bei gleichförmiger Abscheidung auf dem Wafer und Reinigung ohne Abscheidung außer auf dem Wafer bereitzustellen.
Die Verteilerlöcher 96-96 sind so ausgelegt, daß sie diese Gleichförmigkeit der Abscheidung begünstigen. Die Löcher (sowie die oben diskutierte Verteilertemperatur) sind ferner so ausgelegt, daß die Bildung von Abscheidungen auf der Verteileraußen-(boden-)fläche 97 und insbesondere die Abscheidung von weichen Niederschlägen auf der Fläche 97 unterbunden werden, die während und nach der Behandlung abflocken und auf den Wafer fallen könnten. Die Lochanordnung ist kurz gesagt eine mit insgesamt konzentrischen Ringen von Löchern 96-96. Die Abstände zwischen benachbarten Ringen (die Ring-zu-Ring- Abstände) sind annähernd gleich und der Loch-zu-Loch-Abstand in jedem Ring ist in etwa der gleiche. Die Muster sind jedoch im Winkel versetzt, so daß nicht mehr als zwei benachbarte Löcher (oder irgendeine andere ausgewählte Anzahl) radial fluchten. Das heißt, daß die Löcher in der Gasverteilerplatte 92 gleichförmig im Abstand auf Kreisen so angeordnet sind, daß die Lochpositionen keine radial geraden Linien bilden, wodurch eine Abscheidung auf der Gasverteilerplatte selbst im wesentlichen verringert und ein gleichförmiger Gasstrom und eine Abscheidung auf dem Wafer ermöglicht werden.
Bei einer arbeitenden Ausführung werden etwa 3400 Löcher 96-96 verwendet. Die Lochlänge beträgt 0,254 x 10&supmin;² bis 0,381 x 10&supmin;² m (0,100 bis 0,150 Zoll), der Lochdurchmesser beträgt 0,07 x 10&supmin;² bis 0,0889 x 10&supmin;² m (0,028 bis 0,035 Zoll) und die radial asymmetrischen Löcher sind auf etwa 0,0228 x 10&supmin;² m (0,090 Zoll)-Zentren angeordnet. Diese Abmessungen und die zugehörige Ausführung ergeben ein gleichförmiges Strömungsmuster und verringern eine Abscheidung auf der Verteilerplatte 92 wesentlich. Der gegenwärtige Verteilerdurchmesser von 15,24 x 10&supmin;² m ( 6 Zoll) läßt Waferdurchmesser mit der Größe von 15,24 x 10&supmin;² m ( 6 Zoll) zu. Größere Wafer können behandelt werden, indem zu einem größeren Verteiler 26, zu einem größeren Suszeptor 16, zu Suszeptor- und Wafertragfingeranordnungen mit größerem Durchmesser übergegangen und das Lampenmodul 30, wie früher beschrieben, gewechselt wird.
Wie durch die Pfeile 93, 95, 97 in Fig. 3 weiterhin gezeigt ist, ist in dem Deckel 80 und in dem Verteiler 26 ein oberer Reinigungsgasströmungsweg vorgesehen. Das heißt, daß der Reinigungsgasstrom von der HF/Gasdurchführung 36 in eine Einlaßbohrung 98 im Deckel 80 (Pfeil 93) geführt wird, die in radiale Kanäle oder Nuten 100 führt, die ihrerseits in eine Ringnut 102 führen, die in dem Deckel konzentrisch zu der Verteilerkammer 90 (Pfeil 95), gerade über ihr und außerhalb von ihr ausgebildet ist. In dem Verteilerplattenrand 105 ist konzentrisch ein Ringstromwender 104 angeordnet, der einen Umfangskanal 106 an der Innenseite des Verteilerrings bildet, der den Ringkanal 102 mit drei äußeren Reihen von Öffnungen 108 in der Verteilerplatte 92 verbindet.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, sind die Reinigungslöcher 108-108 ähnlich den Prozeßgaslöchern 106-106 in insgesamt konzentrischen Ringen angeordnet, die in etwa gleichen Abständen von Ring zu Ring angeordnet sind. Der Lochabstand innerhalb eines Rings wird so gewählt, daß die Positionen der Reinigungslöcher 108-108 versetzte Radiallinien bilden, d.h., daß sich zwei benachbarte Reinigungslöcher nicht auf einer radialen Linie befinden. Bei dem oben als Beispiel beschriebenen Verteiler wird das Gas aus etwa 600 Löchern verteilt und es werden die folgenden Reinigungslochabmessungen benutzt: Abstand zwischen den Ringen 0,0228 x 10&supmin;² m (0,090 Zoll); Lochdurchmesser 0,0635 x 10&supmin;² m (0,025 Zoll) und Lochlänge 0,10 x 10&supmin;² m (0,040 Zoll).
Gemäß Fig. 2 wird ein zweiter unterer Reinigungsstromweg 101, 103, 105 über eine in der Seite des Gehäuses 12 ausgebildete Einlaßbohrung 110 vorgesehen, welche in eine Ringkammer 112 mündet oder geführt ist, die insgesamt konzentrisch um den unteren Abschnitt der Behandlungskammer 13 gerade über dem Quartzfenster 70 ausgebildet ist. Der Kanal 112 hat Löcher, die im Abstand um den unteren Bereich der Kammer 13 angeordnet sind, oder äquivalente Abgabeeinrichtungen, um das untere Reinigungsgas gleichförmig über das Quartzfenster 70 (siehe Pfeile 103), um den unteren Rand des Wafers 15 (Pfeile 105) und über die horizontale Quartzdeckelplatte 114 zu führen, welche die Kammer 13 gerade unter der Waferbehandlungskammer 14 umgibt. Gemäß Fig. 1 enthält die Platte 114 auch ein Ringmuster von Löchern 116, die fluchtend zu einem ringförmigen Gasauslaßkanal 118 angeordnet sind. Dieser Kanal ist über eine Auslaßbohrung 121 mit einem herkömmlichen Vakuumpumpsystem (nicht gezeigt) verbunden, welches das Vakuum in der Kammer herstellt und die verbrauchten Gase und mitgeführte Gasprodukte aus der Kammer abführt.
Wie erwähnt (siehe Fig. 3) geht der obere Reinigungsgasstrom durch den Einlaß 98 (Pfeil 93), die Kanäle 100, 102 und 106 (Pfeil 95) und tritt dann aus durch die Reinigungsringöffnungen 108-108 (Pfeil 93) an dem äußeren oberen Rand des für die Behandlung positionierten Wafers 15. Gleichzeitig (siehe Fig. 2) geht der untere Reinigungsgasstrom durch den Einlaß 110 (Pfeil 101) und einen Ring 112 über das Quartzfenster 70, wodurch das Fenster sauber gespült wird (Pfeil 103), und anschließend nach oben zu dem unteren Umfangsbodenrand des Wafers 15 (Pfeil 105). Gemäß Fig. 3 gehen der obere und der untere Reinigungsgasstrom 97 bzw. 105 an dem Waferrand ineinander über und strömen nach außen, was durch einen Pfeil 107 angezeigt ist, über die Platte 114 und durch die Löcher 116 in ihr in den Ringabführkanal 118 und aus der Kammer heraus längs des Weges 109 (Fig. 2). Dieses Muster aus oberem und unterem miteinander verschmelzendem Strom hält nicht nur das Quartzfenster 70 sauber, sondern räumt auch alle verbrauchten Abscheidegase, mitgeführte Teilchen usw. aus der Kammer 13. Die Kombination aus dem Doppelstrom, dem oberen und unteren Reinigungsstrom, die an die inneren Quartzfensterkammerflächen und an den Umfangswaferrand angepaßt sind, und aus den sehr hohen Kammerdrucken (ungewöhnlich hoch für PECVD) sorgt für eine äußerst effektive Reinigung und unterbindet eine Abscheidung außerhalb des Wafers.
In gleicher Weise ist von Bedeutung, daß ein gleichförmiger radialer Gasstrom über den Wafer 15 durch die Vielzahl von Löchern 116-116 vorgesehen ist, von denen fünf dargestellt sind und die in der Verteilerplatte 114 am Umfang um den Wafer 15 herum ausgebildet sind. Diese Löcher 116 münden in den großen halbkreisförmigen Abführkanal 118, der seinerseits mit dem Vakuumabführpumpensystem über den einzigen Auslaßanschluß 121 verbunden ist. Der Kanal 118 hat aufgrund seines relativ sehr großen Volumens ein großes Leitvermögen bezüglich der Löcher 116-116, welches für ein gleichförmiges Pumpen in allen Punkten radial vom Wafer mit der Einfachheit eines Einzelstellenpumpanschlusses sorgt. In Kombination mit dem von dem Verteiler 26 bereitgestellten gleichförmigen Gasstromverteilungseinlaßmuster sorgt das gleichförmige radiale Pumpen für einen gleichförmigen Gasstrom über den Wafer 15 bei allen Drucken und dadurch für eine gleichförmige Abscheidung sogar bei sehr hohen Kammerdrucken von beispielsweise 266,64 x 10² N/m² (200 Torr) und mehr. Außerdem ist der Verteiler 26 als Elektrode für ein gleichförmiges Glühentladungsplasma bei ungewöhnlich hohen Drucken einsetzbar, was sowohl eine sehr hohe Abscheidungsrate als auch einen wirksamen Reinigungsstrom ermöglicht.

C. Relevanz bestimmter Schlüsselgrößen für die multiple Prozeßleistung

Zu den Schlüsselgrößen des Reaktors 10 gehören die folgenden: (1) ein weiter Bereich von Betriebsdrucken und speziell ein Hochdruckbereich, (2) eine Temperaturgleichförmigkeit des Suszeptors/Wafers, (3) eine gleichförmige Strömungsverteilung, (4) ein variabler enger Abstand zwischen den Elektroden (Einlaßgasverteiler 92 und Suszeptor 16) mit Parallelität und (5) eine Temperatursteuerung der inneren/äußeren Gaseinlaßverteilerflächen.
Die obigen Größen geben dem Reaktor 10 ein breites Spektrum der Behandlungsmöglichkeit. Wenigstens einige dieser Größen sind gewöhnlich sehr bedeutend für jede Art der Behandlung, für welche der vorliegende Reaktor benutzt worden ist. Insbesondere zum Selbstreinigen sind der weite Bereich verfügbarer Betriebsdrucke und der variable enge Abstand der Elektroden (Einlaßverteiler 92 und Suszeptor 16) mit Parallelität zwei der wesentlicheren Größen.

II. Oxidabscheidung und mehrstufiger In-Situ- Planarisierungsprozeß

Die Behandlungsstufen und mehrstufigen Behandlungsfolgen, die hier beschrieben sind, wurden an dem Reaktor 10 durchgeführt. Die Fähigkeit, eine mehrstufige Behandlung unter Verwendung temperatursensitiver Gase durchzuführen, wie Ozon und TEOS, sowie verschiedene Stufen, wie CVD, PECVD, Ätzen und Selbstreinigung in situ, qualifiziert den Reaktor 10 als speziell bevorzugt. Die hier beschriebene Offenbarung des Prozesses ermöglicht jedoch den Durchschnittsfachleuten, die Prozeßsequenzen in anderen Reaktoren durchzuführen, einschließlich in für einen Einzelprozeß ausgelegten Reaktoren.

A. Thermische Ozon-TEOS-CVD von konformem SiO&sub2;

Die Oxidabscheidung auf der Basis von Ozon und TEOS beruht teilweise auf der Entdeckung, daß verbesserte hochkonforme ( 100%) Beschichtungen auf Siliziumdioxidbasis durch die thermische chemische Dampfabscheidung der Reaktionsteilnehmer TEOS und Ozon bei relativ niedrigen Temperaturen gebildet werden, wobei eine Strahlungsbeheizung zur Erzielung einer Wafertemperatur von etwa 200ºC bis 500ºC und hohe Drucke von 13,33 x 10² bis 266,64 x 10² N/m² (10 bis 200 Torr) und vorzugsweise etwa 53,32 x 10² bis 159,98 x 10² N/m² (40 bis 120 Torr) eingesetzt werden. Das Ozon verringert die Aktivierungsenergie der Reaktionskinetik und bildet Siliziumdioxid mit dem TEOS bei relativ niedrigen Temperaturen von etwa 200ºC bis 500ºC.
Zur Zuführung eines Gemisches von (4 bis 8) Gewichtsprozent Ozon (O&sub3;) in Sauerstoff zu dem Gasverteiler wird ein im Handel erhältlicher Hochdruck-Koronaentladungs-Ozon-Generator verwendet. Durch flüssiges Tetraethylorthosilikat (TEOS) kann blasenförmiges Heliumträgergas hindurchgehen, um das TEOS zu verdampfen und um das verdünnte gasförmige TEOS in dem He- Träger zum Gasverteiler mit dem Ozon- und TEOS-Gasgemisch zuzuführen. Die hochkonforme Siliziumdioxidbeschichtung füllt die Hohlräume, Spitzen und andere topographische Unregelmäßigkeiten aus, wodurch eine im wesentlichen planare Fläche erzielt wird.
Bei einer beispielsweisen Ausführungsform wird Ozon mit einem Mengenstrom von 2 bis 3 slm zugeführt, wobei der Heliumträgergasmengenstrom 50 sccm bis 1,5 slm und der Kammerdruck 53,32 x 10² bis 159,98 x 10² N/m² (40 bis 120 Torr) und die Wafertemperatur 375ºC ± 20ºC betragen, wodurch eine hochkonforme undotierte Siliziumdioxidbeschichtung mit einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 500 x 10&supmin;¹ nm/s (3000 Ångström/min) erzielt wird.
Bei Verwendung des Reaktors 10 erstreckt sich der gegenwärtig in Betracht gezogene nützliche Mengenstrombereich des Heliumgases (der Träger für TEOS) von etwa 100 sccm bis 5 slm (sccm = Normkubikzentimeter pro Minute, slm = Normliter pro Minute). Der Ozonstrom O&sub3; wird durch Mischen von 4 bis 8 Gewichtsprozent Ozon in Sauerstoff bereitgestellt, der mit einer Menge von etwa 100 sccm bis 10 slm strömt. Der gesamte Gasmengenstrom ohne die Reinigungsgase liegt gewöhnlich im Bereich von 200 sccm bis 15 slm.
Der Gasverteiler 26 des Reaktors 10 wird durch entionisiertes Wasser mit einer Temperatur von 20º bis 50ºC gesteuert, das in Kanälen in ihm umläuft, um die Innenfläche des Gasverteilers 26 auf dem engen Bereich von etwa 35ºC bis 75ºC, d.h. bei einer Temperatur von weniger als etwa 75ºC, zu halten, damit ein Zersetzen von TEOS und eine Reaktion zwischen dem TEOS und dem Ozon und eine Kondensation des TEOS innerhalb des Gasverteilers bei über 35ºC vermieden werden.
Der Abstand von dem temperaturgesteuerten Gasverteiler 92 zum Substrat 15 beträgt vorzugsweise etwa einen Zentimeter oder weniger. Dieser Abstand von einem Zentimeter oder weniger schnürt das Plasma oder gasförmige Reaktionsteilnehmer zwischen dem Gasverteiler 26 und dem Wafer 15 ein. Dies erhöht den Reaktionswirkungsgrad und steigert die Reaktions-(Abscheidungs-)geschwindigkeit und trägt dazu bei, überall eine Abscheidung mit Ausnahme auf dem Wafer zu verhindern.
Wie oben beschrieben, verwendet der thermische Ozon-TEOS-CVD- Prozeß ungewöhnlich hohe Abscheidungskammerdrucke. Es werden Drucke von vorzugsweise wenigstens ≥ 13,33 x 10² N/m² (10 Torr) und von etwa 26,66 x 10² bis 266,64 x 10² N/m² (20 bis 200 Torr) verwendet. Auch der untere Teil dieses Bereichs ist über zwanzigmal größer als der Gesamtdruck, der normalerweise in TEOS verwendenden Prozessen eingesetzt wird. Der hohe Druck erhöht die Dichte verfügbarer reaktiver Spezies und sorgt so für eine hohe Abscheidungsrate.
Die Verwendung von hohem Druck ermöglicht ferner eine wirksame Reinigung. Der hohe Reinigungsmengenstrom verbessert die Fähigkeit, Abfallgase, mitgeführte Teilchen usw. ohne unerwünschte Abscheidung auf den Kammeroberflächen zu entfernen. Der oben beschriebene untere Reinigungsstrom erstreckt sich radial nach außen über die Bodenseite des Suszeptorwafers. An den unteren Strom schließt sich ein oberer Reinigungsstrom an, der am Waferumfang nach unten gerichtet ist. Die kombinierten Flüsse strömen radial nach außen vom Umfang des Wafers und veranlassen das Abscheidungsgas, gleichförmig radial nach außen und dann durch das Abführsystem der Kammer in sehr hohen Durchsätzen zu strömen. Beispielsweise liegt ein zweckmäßiger oberer Reinigungsgasmengenstrom (vorzugsweise Stickstoff) zwischen 1 slm bis 10 slm und der untere Reingungsgasmengenstrom (wieder Stickstoff) kann zwischen 1 slm und 20 slm liegen. Diese hohe Drucke und hohe Mengenströme aufweisenden oberen und unteren Ströme waschen unerwünschte Gase und Teilchen überall aus, ohne die gleichförmige Abscheidungsgasverteilung auf der Oberseite des Wafers zu unterbrechen.
Der oben beschriebene Gasstrom und Kammerdruck sowie die sich ergebende Kammertemperatur ergaben eine Siliziumdioxidabscheidungsgeschwindigkeit von etwa 8,3 x 10&supmin;¹ bis 66,66 x 10&supmin;¹ nm/s (500 Ångström/min bis 4000 Ångström/min).
Obwohl brauchbare Abscheidungsgeschwindigkeiten von 8,3 x 10&supmin;¹ und 6,66 x 10&supmin;¹ nm/s (500 und 400 Ångström/min) bei entsprechenden Temperaturen von 200ºC und 500ºC erreicht worden sind, hat die Abscheidungsgeschwindigkeit einen Spitzenwert bei etwa 375ºC ± 20ºC. Die verringerte Abscheidung über und unter dem Spitzenwert ist eine Folge einer ungünstigen Reaktionskinetik an der Oberfläche des Substrats. Zufällig liegt die Spitzentemperatur auch nahe der maximalen Behandlungstemperatur von etwa 400ºC für Aluminium enthaltende Mehrfachleiterstrukturen. Über 400ºC bilden sich im Aluminium Hügelchen. Über 500ºC wird das Aluminium weich.
Bei Verwendung eines Mengenstromverhältnisses zwischen (Ozon und Sauerstoff): Helium von 2:1 (2 slm von 8 Gewichtsprozent Ozon in Sauerstoff : 1 slm He-Träger und TEOS) sättigt sich die Abscheidungsgeschwindigkeit bei 500 x 10&supmin;¹ nm/s (3000 Ångström/min) bei einem Kammerdruck von 106,65 x 10² N/m² (80 Torr) und einer Waferoberflächentemperatur von 375ºC (bei Verwendung einer TEOS-Temperatur von 35ºC), wobei sich bei höheren Drucken nur ein sehr kleiner Anstieg ergibt. Eine Absenkung der Temperatur auf 200 bis 375ºC bei 106,65 x 10² N/m² (80 Torr) verringert die Abscheidungsgeschwindigkeit jeweils auf 16,6 x 10&supmin;¹ bis 500 x 10&supmin;¹ nm/s (1000 bis 3000 Ångström/min). Bei 26,66 x 10² N/m² (20 Torr) ergeben Temperaturen von 200 bis 375ºC eine Abscheidungsgeschwindigkeit von 8,3 x 10&supmin;¹ bis 16,6 x 10&supmin;¹ nm/s (500 bis 1000 Ångström/min). Bei Drucken von über etwa 160 x 10² N/m² (120 Torr) steigen die Gasphasenreaktionen von Teilchen. Dies kann durch Verringern der Wafertemperatur oder Erhöhen des Verdünnugsmittelmengenstroms gesteuert werden. Diese Schritte verringern jedoch die Abscheidungsgeschwindigkeit.
Die hochkonforme Abdeckung ergibt sich weiterhin durch Verwendung undotierter Oxidbeschichtungen. Herkömmliche Verfahren verwenden ein Rückströmen, um das abgeschiedene Oxid zu glätten und schließen Phosphor- oder Bordotierungen ein (Phosphorsilikatglas PSG, Borsilikatglas BSG und Borphosphorsilikatglas BPSG), um die Rückstromtemperatur abzusenken. Unser thermischer CVD-Prozeß beseitigt die Notwendigkeit für ein Rückströmen und somit für die Verwendung von PSG, BSG und BPSG sowie die zugehörigen Probleme, wie eine Aluminiumkorrosion. Gewünschtenfalls kann jedoch bei unserem thermischen CVD- Prozeß das konforme Oxid mit einem niedrigen Pegel von beispielsweise 1 Gewichtsprozent bis 10 Gewichtsprozent Phosphor und/oder Bor durch Einschließen von Reaktionsteilnehmern, wie TMP (Tetramethylphosphit) und/oder TMB (Tetramethylborat) dotiert werden. Der eine niedrige Konzentration aufweisende Dotierpegel würde ausreichende Rückstromeigenschaften ergeben.

B. Plasmagestützte TEOS-CVD von SiO&sub2;

Der PECVD-Oxidabscheidungsprozeß verwendet ein Plasma, das aus TEOS, Sauerstoff und einem Trägergas mit oder ohne Abgrenzung, wie Helium, gebildet wird. Dieses Verfahren verwendet einen Abscheidungskammerdruck von etwa 1,333 x 10² bis 66,66 x 10² N/m² (1 Torr bis etwa 50 Torr), einen Sauerstoffmengenstrom von etwa 100 sccm bis 1000 sccm, einen Inertträgergasmengenstrom (Helium) von 100 bis 1500 sccm, einen Gesamtgasmengenstrom (ohne die Reinigungsgase) von 200 sccm bis 0,041 l/s (2,5 l/min) und eine HF-Leistung von etwa 200 bis 400 W für die Gasverteilerkathode mit einem Durchmesser von 15,24 x 10&supmin;² m ( 6 Zoll). Die Leistungsdichte an dem Gasverteiler/Kathode 26 beträgt etwa 1 W/cm² basierend auf Berechnungen für eine quasiparallele Plattengestalt. Von unten wird durch die Ringanordnung der vertikalen Lampen Strahlungsenergie auf den Suszeptor gerichtet, um ein Abscheidungsplasma zu erzeugen und um die Waferoberfläche auf eine Temperatur von 300 bis 500ºC zu erhitzen. Es werden obere (Stickstoff plus Heliummischung) und untere (nur Stickstoff) Reinigungsgasmengenströme von 1 bis 15 slm bzw. 1 bis 20 slm mit jeweils bevorzugten oberen und unteren Reinigungsgasmengenströmen von 2,5 slm und 10 slm verwendet. Diese Parameter ergeben SiO&sub2;-Abscheidungsgeschwindigkeiten von etwa 83,33 x 10&supmin;¹ nm/s (5000 Ångström/min) bis 166,66 x 10&supmin;¹ nm/s (10000 Ångström/min). Gewöhnlich liegt die Trennung zwischen der Elektrode 92 (die Gasverteilerplatte) und der Elektrode 16 (der Suszeptor) in dem annähernden Bereich von 0,4 cm ≤ d ≤ 1 cm.
Verwendbare Betriebsparameter für den PECVD-Oxid-Abscheidungsschritt für einen 15,24 x 10&supmin;² m (6 Zoll)-Wafer sind 600 sccm Sauerstoff, 900 sccm Helium, 16000 sccm Gesamtstrom (einschließlich Reinigungsgas, 1500 sccm ohne Reinigungsgas), 10 ± 2 Torr Druck und 375ºC ± 20ºC Wafertemperatur. Die Parameter ergeben SiO&sub2;-Abscheidungsgeschwindigkeiten von etwa 141,6 x 10&supmin;¹ nm/s (8500 Ångström/min) für eine Entfernung vom Gasverteiler bis zur Waferoberfläche d von 0,4 cm.
Es ist offensichtlich, daß der oben beschriebene PECVD-TEOS- Prozeß mit hohem Druck zum Abscheiden von Oxid, das auf der TEOS-Gaschemie beruht und ähnliche, jedoch andere Kammererfordernisse als der Ozon-TEOS-Prozeß für ein Abscheiden von konformem Dioxid hat, den Einsatz der vielseitigen Kammer 10 nicht nur möglich macht, sondern auch bevorzugt, da in der Kammer 10 beide Prozesse durchgeführt werden können.
Der vorliegende PECVD-TEOS-Oxidabscheidungsprozeß ergibt eine Verbesserung der Abscheidungsgeschwindigkeit, des Rißbildungswiderstands sowie physikalischer und elektrischer Eigenschaften in einer CVD-abgelegten Siliziumdioxidschicht. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein verbessertes Verfahren zum Abscheiden von Siliziumdioxid bereit, wobei eine verbesserte Stufenabdeckung und eine niedrigere Spannung sowie ein höherer Rißbildungswiderstand der abgelegten Schicht erreicht werden.

C. Zweistufiger Planarisierungsprozeß

Der Prozeß ist eine Verbesserung der herkömmlichen Methoden zum Planarisieren von Siliziumdioxiden, beispielsweise von herkömmlichen Methoden, die ein Aufspinnglas und eine Polyimidabscheidung mit Rückätzung verwenden.
Die Planarisierungsfolge umfaßt erstens die Verwendung des oben beschriebenen Ozon-TEOS-Oxidabscheidungsprozesses, um eine dielektrische Schicht im wesentlichen zu planarisieren, worauf zweitens die Verwendung einer isotropen nassen oder trockenen Ätzung, vorzugsweise mit einer hohen Ätzgeschwindigkeit folgt, um den Planarisierungsprozeß abzuschließen. Die Kombination der oben beschriebenen konformen Ozon-TEOS-Oxidabscheidung in Verbindung mit verschiedenen nassen oder trokkenen isotropen Ätzschritten ergibt eine unerwartet konforme planarisierte dielektrische Schicht, die gute Dienste bei den Multi-Pegel-Metallisierungsstrukturen mit kleiner Geometrie leistet, die gegenwärtig und in der Zukunft entwickelt werden. Nachstehend wird ein gegenwärtig bevorzugter trockener isotroper Ätzprozeß beschrieben, der in situ in der gleichen Mehrstufenkammer 10 ausgeführt werden kann.

D. Dreistufiger Planarisierungsprozeß

Dieses Verfahren umfaßt als erstes die Bildung einer Siliziumdioxidschicht, vorzugsweise mit einer hohen Abscheidungsgeschwindigkeit, als zweites die Verwendung der oben beschriebenen konformen Ozon-TEOS-Oxidabscheidung zur Bildung einer im hohen Ausmaß konformen Oxidbeschichtung und dann als drittes die Verwendung einer isotropen, vorzugsweise mit hoher Geschwindigkeit ausgeführten Ätzsequenz, um den Planarisierungsprozeß schnell abzuschließen.
Das oben beschriebene PCVD-TEOS-Verfahren ist ein bevorzugter Prozeß für den ersten mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden Oxidabscheidungsschritt.
Bei dem bevorzugten dritten Schritt, d.h. dem bevorzugten, mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden isotropen Ätzprozeß, wird die vorhandene Siliziumdioxidoberfläche einem Plasma, das aus einem Gas gebildet wird, das aus NF&sub3;, CF&sub4;, C&sub2;F&sub6;, C&sub4;F&sub8;, CHF&sub3; und/oder anderen fluorierten Gasen in einem Dotiergas, wie Helium, zur Stabilisierung des Plasmas ausgewählt wird, in einer Kammer bei einer Temperatur im Bereich von etwa 100ºC bis 500ºC und vorzugsweise 200ºC bis 400ºC ausgesetzt. (Zur Bildung von Gasen mit Kohlenstoff können Helium und/oder Sauerstoff eingeschlossen sein.) Der Gaskammergesamtdruck für diese Gase liegt zweckmäßigerweise im Bereich von etwa 0,266 x 10² N/m² bis 26,66 x 10² N/m² (200 Millitorr bis 20 Torr). Der bevorzugte Bereich liegt bei 0,66 x 10² N/m² bis 13,33 x 10² N/m² (500 Millitorr bis 10 Torr). Die Gesamtgasstromgeschwindigkeit des Plasmas ist für den Fachmann bestimmbar. Für die Vorrichtung, die in dem genannten Mehrfachprozeß-CVD/PECVD- Reaktor offenbart ist, hat sich jedoch ein Betriebsbereich von 20 sccm bis 3,5 slm als zweckmäßig erwiesen. Die bevorzugte Gesamtgasstromgeschwindigkeit reicht von etwa 170 sccm bis 1,25 slm. Der günstige Bereich für den NF&sub3; (oder C&sub2;F&sub6;)-Gasstrom reicht von etwa 10 sccm bis 500 sccm, wobei der bevorzugte Bereich zwischen etwa 70 und 200 sccm liegt. Der Individualmengenstrom des Dotiergases, gewöhnlich Helium, reicht von etwa 10 sccm bis 3,5 slm und vorzugsweise von 100 sccm bis 1 slm. Es wurde eine HF-Leistungsdichte von etwa 0,5 bis 1 W/cm² zusammen mit Strahlungsleistung aus dem Lampenmodul eingesetzt, um die Substrattemperatur von < 500ºC und die bevorzugte Temperatur von 200ºC bis 400ºC zu erreichen. Es wurde ein Elektrodenabstand von etwa 1,016 x 10&supmin;² m (0,4 Zoll) verwendet.
Bei den angesetzten relativ hohen Temperaturen hat sich gezeigt, daß ein schnelles genaues isotropes Ätzen des Siliziumdioxids erreicht wird. Man erhält spezifisch Ätzgeschwindigkeiten von 8,33 x 10&supmin;¹ nm/s (500 Ångström/min) bis 1 um/min, wobei das Ätzen isotrop durchgeführt und glatt ist.
Obwohl dieser isotrope Ätzprozeß insgesamt auch beispielsweise zur Bildung von Metallkontakten zweckmäßig ist, ist er besonders günstig zur Erzielung einer Profilsteuerung von SiO&sub2;- Stufenbelagschichten wie oben beschrieben. Insbesondere hat diese gleichförmige, mit hoher Geschwindigkeit erfolgende isotrope Ätzung den Vorteil, daß die im wesentlichen planansierte Kontur zusätzlich planarisiert wird, was sich aus der SiO&sub2;-Abscheidung ergibt.
Dieser mit hoher Geschwindigkeit erfolgende isotrope Ätzschritt wurde in situ in dem gleichen Reaktor ausgeführt, der für die beiden oben beschriebenen Siliziumdioxidabscheidungsschritte verwendet wurde. Als Folge ergibt diese bevorzugte Sequenz ein integriertes dreistufiges In-Situ-Verfahren zur Herstellung einer planarisierten Siliziumdioxidschicht auch über nicht planaren Schichten einschließlich kleiner geometrischer Stufen, Gräben usw. In Kombination mit dem TEOS- und thermischen konformen CVD-Oxidabscheidungsschritt auf Ozonbasis, der Anwendung des mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden PECVD-Oxidabscheidungsschritts und mit dem mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden Ätzschritt bietet die Möglichkeit, die gleiche Kammer für alle drei Schritte zu verwenden, ein schnelles Planarisierungsverfahren mit hoher Durchgangsleistung, das weniger empfindlich hinsichtlich Verunreinigung und Waferbeschädigung und anderer Probleme ist, die sich ergeben, wenn ein Wafer wiederholt gehandhabt und von einer Kammer zur anderen Kammer überführt wird.
Obwohl der oben beschriebene dreistufige In-Situ-Prozeß eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform unseres Planarisierungsprozesses für Siliziumdioxid ist, kann der thermische Ozon-TEOS-CVD-Schritt (zweiter Schritt) zusätzlich in Kombination mit anderen anfänglichen dielektrischen Beschichtungen und anderen isotropen Ätzschritten verwendet werden. Beispielsweise kann der zweite thermische Ozon-CVD-Schritt eingesetzt werden, um eine in hohem Maße konforme Siliziumdioxidbeschichtung auf Siliziumoxid oder Siliziumnitrid oder Siliziumoxinitrid oder anderen dielektrischen Schichten abzuscheiden, die durch CVD oder nach anderen Verfahren ausgebildet werden. Die sich ergebende, im wesentlichen planarisierte Schicht kann zu einer planaren Topographie geätzt werden, wobei andere, vorzugsweise mit hoher Geschwindigkeit arbeitende, trockene (beispielsweise Plasma) oder nasse chemische isotrope Ätzverfahren verwendet werden. Die drei Schritte des Prozesses können auch in einer anderen Reihenfolge und/oder wiederholt zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses verwendet werden.

III. Kammersystemselbstreinigung

Die vorliegende Erfindung enthält eine lokalisierte Kammerselbstätzung und eine Weitbereich-Kammerselbstätzung. Diese beiden divergenten In-Situ-Ätzschritte oder -sequenzen verwenden die Fähigkeit des weiten Druckbereichs und den variablen engen Elektrodenabstand des vorliegenden Reaktors in Kombination mit der hier beschriebenen Gaschemie. Das lokale Ätzen wird verwendet, um die HF-Elektroden zu reinigen, d.h. den Suszeptor 16 und die Einlaßgasverteilerstirnplatte 92. Die ausgedehnte oder Weitbereich-Ätzung reinigt die gesamte Kammer einschließlich des stromab befindlichen Vakuumsystems.
Eine solche unterschiedliche Fähigkeit ist für jeden Reaktor vorteilhaft. Sie ist insbesondere von Vorteil für den Reaktor 10, der, wie erwähnt, für die Behandlung von Elementen mit sehr kleiner Geometrie geeignet ist, die anfällig für durch Teilchen verursachte Schäden sind. Obwohl der Reaktor 10 mit relativ höheren Drucken als herkömmliche Reaktoren arbeitet, kann er dennoch langlebige Spezies erzeugen, die sich in dem Vakuumabführsystem und in den stromab befindlichen Vakuumsystembauteilen zu dem Drosselventil und einschließlich des Drosselventils abscheiden. Obwohl also der Betrieb des vorliegenden Reaktors 10 sauberer als bei herkömmlichen Reaktoren ist und obwohl die Reinigung weniger häufig erfolgen kann, ist die Möglichkeit, nötigenfalls sowohl die Vakuumkammer als auch die Reaktionskammer schnell und häufig zu reinigen, äußerst erwünscht für die Unterbindung von Verunreinigung durch Teilchen und für die Gewährleistung eines korrekten Langzeitbetriebs der Bauteile, wie des Drosselventils.
Der lokalisierte Selbstreinigungsschritt oder -prozeß verwendet eine Fluorkohlenstoffgasätzchemie, einen relativ hohen Druck und einen relativ geringen Abstand zwischen den Elektroden 16 und 92 (der Abstand ist ähnlich dem für die Abscheidung verwendeten), um die gewünschte hohe Ätzgeschwindigkeit und ein stabiles Plasma für eine schnelle lokale Reinigung der Elektroden 16 und 92 und benachbarter Kammerbauteile bereitzustellen.
Der ausgedehnte oder Weitbereich-Selbstreinigungsprozeß verwendet einen relativ niedrigeren Druck und einen relativ größeren Elektrodenabstand sowie eine fluorierte Gaschemie zur Ätzung der gesamten Kammer sowie der Vakuumsystembauteile mit hoher Geschwindigkeit. Zu diesen Komponenten gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, zusätzlich zu dem Suszeptor 16 und dem Verteiler 92 und zugehöriger Bauteile, das Fenster 70, die Trennwand-Strömungssteuerplatte 114 und die darin befindlichen Abführlöcher 116, der Vakuumabführkanal 118 und insgesamt die Bauteile längs des Abführwegs 105 und 109 wenigstens zu dem und einschließlich des zugehörigen Drosselventil(s) (nicht gezeigt).
Die Abscheidungen bilden sich lokal schneller aus, beispielsweise auf dem Gasverteiler 92, als auf den entfernteren Bereichen der Kammer und stromab davon. Dadurch wird gewöhnlich der lokale Ätzschritt für sich wenigstens mehrere Male verwendet, bevor es erforderlich wird, den Weitbereich-Ätzschritt einzusetzen, um die gesamte Kammer und den Stromabbereich zu reinigen. Nach einer Anzahl von Abscheidungs- und lokalen Ätzungszyklen wird beispielsweise auch der ausgedehnte Ätzschritt verwendet, wenn die Gesamtoxidabscheidung etwa 25 um erreicht hat. Diese Gesamtprozeßsequenz kann als Abscheidung (oder Abscheidung mit dazwischenliegender Ätzung), lokale Ätzung, ...-Abscheidung, lokale Ätzung und dann Abscheidung, lokale Ätzung, Weitbereich-Ätzung charakterisiert werden, nachdem die Gesamtabscheidung etwa 25 um beträgt.
Bei einer gegenwärtig bevorzugten Ausführung für eine quasiparallele Form für einen 12,7 x 10&supmin;² m (5 Zoll)-Wafer umfaßt der erste, mit hoher Geschwindigkeit ablaufende Fluorkohlenstoffgas-Ätzschritt bei relativ hohem Druck und geringem Elektrodenabstand das Einleiten einer Fluorkohlenstoff- und Sauerstoff-Ätzgasmischung in die Reaktorkammer bei einem Druck in dem Bereich von 2,666 x 10² bis 19,99 x 10² N/m² (2 bis 15 Torr) unter Verwendung einer HF-Leistung von etwa 250 bis 650 W zur Bildung einer HF-Leistungsdichte im Bereich von etwa 1 bis 3 W/cm² bei einer Frequenz von 13,56 MHz und bei Verwendung eines Elektrodenabstands von etwa 406,4 x 10&supmin;&sup5; m (160 mils), um die Kammer lokal zu reinigen. In diesem lokalen Ätzschritt fanden wir, daß bei Verwendung einer Mischung von C&sub2;F&sub6; und O&sub2; bei einem C&sub2;F&sub6;:O&sub2;-Strömungsverhältnis von etwa 1:1 in dem vorliegenden Reaktor optimale Ergebnisse erreicht werden. Insbesondere werden Mengenströme von etwa 100 sccm : 100 sccm eingesetzt.
Bei einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform, ebenfalls für die quasiparallele 12,7 x 10&supmin;² m (5 Zoll)-Waferform, umfaßt der zweite Weitbereich-Ätzschritt bei relativ niedrigerem Druck, relativ größerem Abstand und mit fluoriertem Gas das Einführen von NF&sub3; in die Reaktorkammer mit einem Mengenstrom im Bereich von etwa 50 bis 150 sccm bei einem Druck von etwa 666,61 x 10² N/m² bis 1,333 x 10² N/m² (500 Millitorr bis 1 Torr) unter Verwendung eines Elektrodenabstands von etwa 1016 x 10&supmin;&sup5; m (400 mils) und einer 13,56 MHz-HF-Leistung von etwa 125 bis 500 W zur Erzeugung einer HF-Leistungsdichte von etwa 0,5 bis 2 W/cm², um sowohl die gesamte Kammer als auch die stromab befindlichen Bauteile zu reinigen. Es sei vermerkt, daß der niedrigere Druck und der größere Elektrodenabstand das Ausdehnen oder Erweitern des Reinigungsplasmas über die Kammer und stromab davon erleichtern.
Parameter, wie die Leistung und der Strom für die 12,7 x 10&supmin;&sup5; m (5 Zoll)-Waferform verändern einfach den Maßstab nach oben oder unten für größere oder kleinere Wafer. Wir gehen auch davon aus, daß Mengenströme und Verhältnisse, die anders sind als die angegebenen, in diesem und anderen Reaktoren verwendet werden können.
Eine gegenwärtig bevorzugte optimale Ausführung für den lokalen Ätzprozeß bei Verwendung des Reaktors 10 umfaßt das Einführen von C&sub2;F&sub6; und O&sub2; in die Kammer bei jeweiligen Mengenströmen von 100 sccm/min unter Verwendung eines Kammerdrucks von 13,33 x 10² N/m² (10 Torr), einer HF-Leistung von 600 W zur Erzeugung einer Leistungsdichte von 2,4 W/cm² und einen Elektrodenabstand von etwa 406,4 x 10&supmin;&sup5; m (160 mils). Dies ergibt lokale Ätzgeschwindigkeiten von etwa 1 um/min.
Eine gegenwärtig bevorzugte optimale Ausführung des ausgedehnten Ätzprozesses unter Verwendung des Reaktors 10 umfaßt das Einströmen von NF&sub3; in die Kammer mit einem Mengenstrom von 100 sccm bei Einsatz eines Kammerdrucks von 0,799 x 10² N/m² (600 Millitorr), einer HF-Leistung von etwa 300 W zur Erzielung einer Leistungsdichte von etwa 1,2 W/cm² und einen Elektrodenabstand von 400 mils (1 cm). Obwohl es sehr schwierig ist, die Ätzgeschwindigkeiten stromab in dem Vakuumsystem während des zweiten Schrittes zu messen, zeigt die Erfahrung, daß dieser Schritt Ätzgeschwindigkeiten von etwa 0,7 bis 0,8 um/min ergibt.
Die beste Anzeige der Wirksamkeit dieser beiden Prozesse ergibt sich vielleicht aus der Zeit, die zum Reinigen erforderlich ist. Nach Verwendung des oben beschriebenen PECVD- oder pyrolitischen Prozesses zur Abscheidung von Siliziumdioxidfilmen mit einer Gesamtdicke in dem Bereich von 1 bis 2 um, reinigt dabei beispielsweise der lokale Selbstreinigungsschritt den Reaktor lokal in etwa 1 bis 1,5 Minuten. Wenn einmal die gesamte Oxidabscheidungsdicke von 25 um erreicht ist, reinigt der Selbstreinigungsschritt für den erweiterten Bereich den Gesamtreaktor und stromab befindliche Bauteile in etwa vier Minuten.
Die folgende Tabelle stellt graphisch den aufeinanderfolgenden Einsatz dieser Selbstreinigungsschritte zur Beibehaltung einer sauberen Reaktorkammer dar. Zu vermerken ist, daß die den einzelnen Abscheidungsschritten zugeordneten Dicken und die sich ergebenden erforderlichen Ätzzeiten lediglich beispielsweise angegeben sind. Tabelle Prozeßschritt Dicke/Ätzzeit Abscheidung lokale Ätzung Ätzung im ausgedehnten Bereich gesamt
Obwohl die Erfindung vorstehend in Verbindung mit verschiedenen bevorzugten und alternativen Ausführungen beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, daß der Fachmann zahlreiche Modifizierungen vornehmen kann, ohne den Rahmen der Erfindung, wie er in den nachstehenden Ansprüchen beansprucht wird, zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zur Selbstreinigung einer Reaktorkammer, welche eine Gaseinlaßverteilerelektrode und eine angrenzende parallele Wafertragelektrode hat, wobei der Abstand zwischen ihnen einstellbar ist,

- mit dem einen Schritt, bei welchem ein Gasgemisch, das fluoriertes Gas aufweist, in die Kammer über die Gaseinlaßverteilerelektrode eingeführt wird, HF-Leistung zwischen der Gaseinlaßverteilerelektrode und der Wafertragelektrode angelegt wird, die Kammer auf einem ersten Druck gehalten wird, um ein Ätzplasma der Gasmischung zu bilden, und die Gaseinlaßverteilerelektrode und die Wafertragelektrode einen ersten Abstand haben, der für Ätzabscheidungen von wenigstens der Gaseinlaßverteilerelektrode und der Wafertragelektrode gewählt wird, und

- mit dem weiteren Schritt, bei welchem ein fluoriertes Gas in die Kammer über die Gaseinlaßverteilerelektrode eingeführt wird, während HF-Leistung zwischen der Gaseinlaßverteilerelektrode und der Wafertragelektrode angelegt wird, um ein Ätzplasma des fluorierten Gases zu bilden, während die Kammer auf einem zweiten Druck gehalten wird, der niedriger ist als der erste Druck, damit sich das Ätzplasma über die ganze Kammer ausdehnen kann, und die Verteilerelektrode und die Wafertragelektrode zum Ätzen im wesentlichen über der ganzen Kammer auf einem zweiten Abstand gehalten werden, der größer ist als der erste Abstand.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Schritt der Ätzabscheidungen aus der Gaseinlaßverteilerelektrode und der Wafertragelektrode zuerst ausgeführt wird, worauf der Schritt des Ätzens über der ganzen Kammer folgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Schritt bei einem Druck in dem Bereich von etwa 2,666 x 10² bis 19,99 x 10² N/m² (2 bis 15 Torr) ausgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Schritt bei einem Druck im Bereich von etwa 666,61 x 10² bis 1,333 x 10² N/m² (1/2 bis 1 Torr) ausgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch des einen Schritts ein mit Sauerstoff dotiertes Fluorkohlenstoffgas aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem einen Schritt in die Kammer eingeführte Gasgemisch eine Mischung aus C&sub2;F&sub6; und Sauerstoff ist, wobei der Abstand der Elektroden etwa 0,4 cm beträgt und die HF-Leistung mit einer Leistungsdichte in dem Bereich von 1 bis 3 W/cm² angelegt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das C&sub2;F&sub6; und der Sauerstoff mit einem Mengenstromverhältnis von etwa 1:1 eingesetzt werden, daß der Druck etwa 13,33 x 10² N/m² (10 Torr) beträgt und die HF-Leistungsdichte bei etwa 2,4 W/cm² liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem weiteren Schritt das fluorierte Gas NF&sub3; ist, der Abstand der Elektroden etwa 1 cm beträgt und die HF-Leistung mit einer Leistungsdichte von etwa 0,5 bis 2 W/cm² zugeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß während des einen Schritts C&sub2;F&sub6; und Sauerstoff mit einem Mengenstromverhältnis von etwa 1:1 eingesetzt werden und ein Druck von 13,33 x 10² N/m² (10 Torr) verwendet wird, und dadurch gekennzeichnet, daß während des weiteren Schritts der Kammerdruck etwa 0,799 x 10² N/m² (600 mTorr) beträgt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer eine Reaktorkammer für die chemische Dampfabscheidung ist.

11. Verfahren zum Verwenden einer mit HF-Leistung beaufschlagten Reaktorkammer, die eine Gaseinlaßverteilerelektrode und ein Abführauslaßsystem aufweist, bei welchem eine Tragelektrode für einen Halbleiterwafer sowie eine Gaseinlaßverteilerelektrode vorgesehen werden, die parallel zur Tragelektrode ist, wobei der Abstand der Elektroden einstellbar ist, und bei welchem als ein erster Verfahrensschritt wenigstens eine Schicht Siliziumdioxid auf einem Wafer abgeschieden wird, der auf der Tragelektrode angeordnet ist, und dann der Reaktor durch ein Verfahren gereinigt wird, wie es in einem der Ansprüche 1 bis 10 beansprucht ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, welches ferner die Wiederholung eines Zyklus einschließt, der den ersten Abscheideschritt und den einen Schritt der lokalen Ätzabscheidungen aus der Gaseinlaßverteilerelektrode und der Tragelektrode aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, welches die Wiederholung des Zyklus des ersten Abscheideschritts und den zweiten lokalen Ätzschritt einschließt und bei welchem nach mehreren genannten Zyklen der weitere Schritt des Ätzens über im wesentlichen der ganzen Kammer ausgeführt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Leistung an den Gaseinlaßverteiler angelegt und der Waferträger an Masse gelegt wird.