DE69332176T2 - Verfahren und Gerät zur Erzeugung eines elektromagnetisch gekoppelten flachen Plasmas zum Ätzen von Oxiden - Google Patents

Verfahren und Gerät zur Erzeugung eines elektromagnetisch gekoppelten flachen Plasmas zum Ätzen von Oxiden

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Prozess und eine Vorrichtung zum Ätzen von Oxiden in einem elektromagnetisch gekoppelten planarem Plasma-Apparat.
  • US-A-4,948,458 von Ogle beschreibt einen Apparat zum Herstellen planarer Plasmen, die über einen weiteren Druckbereich operieren können. Die Vorrichtung ist eine Vakuumkammer mit einem dielektrischen Fenster oder Schild in einer Wand der Kammer. Eine planare Spule außerhalb der Kammer und in der Nähe des dielektrischen Schildes, sowie eine RF Quelle ist an die Spule gekoppelt. Die Kammer ist auch ausgestattet mit einem Anschluss für den Einlass von Plasma-Precursor-Gasen in die Kammer, einem Anschluss für den Eingang und Ausgang eines zu bearbeitenden Substrates, als auch einem Halter für das Substrat parallel zu dem dielektrischen Fenster. Wenn ein RF Strom an die Spule angelegt ist, wird ein wechselndes magnetisches Feld induziert, das sich durch das dielektrische Fenster bis in die Kammer erstreckt und innerhalb der Prozessregion der Kammer einen zirkulären Fluss von Elektronen induziert. Dieses induzierte zirkuläre elektrische Feld ist im wesentlichen in einer Ebene parallel zu der planaren Spule, was den Transfer von kinetischer Energie in der nicht-planaren Richtung reduziert. Das zu ätzende Substrat ist ebenfalls in der Richtung der Ebene des Plasmas montiert weshalb die Geschwindigkeitskomponente von geladenen Teilchen in der nicht-planaren Richtung in Bezug auf das Substrat während der Bearbeitung minimiert wird, und die Behandlung auf dem Substrat im allgemeinen auf die chemische Interaktion der Plasma-Spezies mit dem Substrat beschränkt ist, außer in dem Falle wenn eine RF Spannung an das Substrat im Bezug auf eine geerdete Elektrode oder Kammer angelegt ist.
  • Der obige Plasmareaktor ist nützlich zum Ätzen von Materialien wie Aluminium, hat aber ein Beschränkungen hinsichtlich des Ätzens von Oxiden, wie Siliziumoxid, das bei der Herstellung von Halbleiter Geräten benötigt wird. Siliziumoxid-Filme und Schichten werden zum Beispiel während der Herstellung von Silizium-Geräten, beinhaltend Silizium, Metallschichten, Siliziumnitrid und anderes, auf unterschiedliche Substrate aufgebracht. Typischerweise wird ein Fotolack auf der Siliziumoxid-Schicht aufgebracht, die geätzt und strukturiert werden soll, und die Siliziumoxid-Schicht wird mit einem Fluorkohlenwasserstoff-Gas wie CF&sub4;, C&sub2;F&sub6;, C&sub3;F&sub8;, CHF&sub3; und ähnlichen geätzt. Zum Beispiele kann ein Via in eine Siliziumoxid Schicht über Polysilizium geätzt werden und die Via später mit einem Leiter gefüllt werden, um einen Kontakt zwischen dem unterliegenden Polysilizium und einer leitfähigen Schicht oberhalb des Siliziumoxids herzustellen. Um die Vias zu füllen, die schmaler und tiefer werden, hat der Ätzprozess mehrere zwingende Voraussetzungen; die Seitenwände der Vias müssen gerade sein (anisotropisches Ätzen) und das Ätzen muss bezüglich der aufliegenden Fotolack Schicht und dem unterliegenden Material selektiv sein, d. h. der Ätzprozess muss die Siliziumoxid Schicht mindestens mit einer schnelleren Rate als die darüberliegenden und darrunterliegenden Schichten ätzen; dabei sollte die Selektivität bevorzugt größer als 10 : 1 sein. Für andere Halbleitergeräte und Anordnungen sind große und kleine Merkmale vorhanden und müssen in derselben Zeit geätzt werden; dies setzt voraus, dass große und kleine Merkmale in demselben Material, beispielsweise Siliziumoxid, mit derselben Rate geätzt werden, d. h. ohne microloading. Microloading ist für den hierin verwendeten Zweck definiert als
  • Da Siliziumoxid-Schichten im allgemeinen ziemlich dick sind, ist es darüber hinaus wünschenswert, hohe Ätzraten zu haben, insbesondere wenn Einzel-Wafer-Bearbeitung durchgeführt wird (im Gegensatz zum batch-type Bearbeitung), um hohen Durchsatz zu erlauben.
  • Der Ätzreaktor von Ogle kann, wenn doch nützlich zum Ätzen leitender Metallschichten, die oben beschriebenen Ätz-Anforderungen für Oxide wie Siliziumoxid nicht erfüllen. Im allgemeinen wird Siliziumoxid wie oben erwähnt mit fluorhaitigen Ätzgasen geätzt. Siliziumoxid wird mit schlechter Selektivität geätzt; die Verwendung von Gasen mit einem hohen C : F Verhältnis oder Gasen die Wasserstoff enthalten, erhöht die Selektivität, opfert aber Ätzrate und produziert konische Profile und Mikroloading. Demzufolge erhöht lediglich die Erhöhung des Kohlenstoff : Fluor Verhältnisses des Ätzgases oder die Erhöhung der Gasfluss-Raten, den Konus der Seitenwände, Mikroloading und reduziert die Ätzrate. Fluorkohlenwasserstoff-Ätzgase bilden außerdem polymerische Feststoffe, die Teilchen formen können, die sich auf dem Substrat ablagern und so Verunreinigungen des Substrates während des Ätzprozesses verursachen.
  • Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung verbessertes Ätzen von Oxidfilmen oder Schichten in der oben beschriebenen elektromagnetisch gekoppelten planaren Plasma-Anlage zur Verfügung zustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung für planares Plasma Ätzen gemäß unabhängigem Anspruch 1 und durch die Methode gemäß unabhängigem Anspruch 14 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung sind offenkundig von den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
  • Das Hinzufügen eines Scavengers für Fluor als feste Gegenstand, insbesondere eines Ringes, in die elektromagnetisch gekoppelte planare Plasma-Vorrichtung verbessert das Ätzen von Oxiden mit Fluorkohlenwasserstorf-Ätzmitteln bezüglich der Selektivität des Ätzens von Oxiden, ergibt verbesserte Anisotropie und verbessert die Ätzraten.
  • Fig. 1 zeigte eine Querschnittsansicht einer solchen Vorrichtung zur Plasma- Bearbeitung;
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Illustration des Schaltplans der Vorrichtung von Fig. 1;
  • Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht zur Illustration des elektromagnetischen Feldprofils hergestellt von der Vorrichtung von Fig. 1.
  • Die Figuren und die folgende Beschreibung betrifft nicht exakt den Gegenstand der Ansprüche, da die Figuren einen Fluor Scavenger mit einem allgemeinen Format, nicht nur als ein Ring, der um das Substrat angebracht ist, zeigen.
  • Eine Plasmabearbeitungsvorrichtung wird ferner beschrieben in bezug auf Fig. 1. Eine Plasmabearbeitungsvorrichtung 10 geeignet zum Ätzen einzelner Halbleiter-Wafer enthält eine Vakuumkammer 12 mit einem Zugangsanschluss 14 in einer oberen Wand 16 der Kammer 12. Ein dielektrisches Schild 18 ist unterhalb der oberen Wand 16 eingeordnet und erstreckt sich über den Zugangsanschluss 14. Das dielektrische Schild 18 ist dicht mit der oberen Wand 16 verbunden, um eine vakuumdichte Kammer 12 zu definieren. Die Kammer 12 hat auch einen Anschluss 17 für den Einlass von Plasma-Precursor-Gasen in die Kammer 12.
  • Eine planare Spule 20 ist innerhalb des Zugangsanschlusses 14 benachbart zu dem dielektrischen Schild 18 angeordnet. Die Spule 20 ist als Spirale geformt, mit einem zentralen Anschluss 22 und einem äußeren Anschluss 24. Die Ebene der Spule 20 ist sowohl zu dem dielektrischen Schild 18 und zu einem Halter 13 für einen Wafer 15, der in der Kammer bearbeitet werden soll, parallel orientiert. Die Spule 20 ist dadurch in der Lage ein planares Plasma innerhalb der Kammer 12, das parallel zu dem Wafer ist, zu produzieren. Der Abstand zwischen der Spule 20 und der Halterfläche 13 ist gewöhnlich im Bereich von 3 bis 15 cm und ist anpassbar. Ein Scavenger für Fluor, dargestellt als ein Silizium Gegenstand 26, befindet sich zwischen der Halterfläche 13 und (näher zu) dem dielektrischen Schild 18. Daher ist der Fluor-Scavenger innerhalb oder nahebei dem generierten Plasma.
  • Nun Bezug nehmend auf Fig. 1 und 2, die planare Spule 20 wird getriebenen durch einen RF Generator 30 des Typs, der bei einer Frequenz in dem Bereich von ungefähr 100 kHz bis zu 100 MHz, bevorzugt bei weniger als oder bei ungefähr gleich 13.56 MHz, arbeiten kann. Die Ausspeisung des Generators 30 wird durch ein Koaxialkabel zu der Anpassungsschaltung 34 geführt. Die Anpassungsschaltung 34 enthält eine primäre Spule 36 und eine sekundäre Schleife 38, die positioniert sein kann, um eine effektive Kopplung der Schaltung zu erlauben, und zur Beaufschlagung der Schaltung bei der Betriebsfrequenz. Die primäre Spule 36 kann auf einer Scheibe 40 montiert werden, die um eine vertikale Achse 42 rotiert werden kann, um die Kopplung einzustellen. Ein variabler Kondensator 44 ist mit der sekundäre Schleife 38 in Serie, um die Resonanzfrequenz der Schaltung der Frequenz-Ausspeisung des RF Generators 30 anzupassen. Impedanzanpassung maximiert die Effizienz des Leistungstransfers zu der planaren Spule 20. Die zusätzliche Kapazität 46 kann in der primären Schaltung bereitgestellt werden, um einen Teil des induktiven Blindwiderstands der Spule 36 in der Schaltung aufzuheben.
  • Eine RF Bias-Leistung kann an das Substrat über den Substratträger 13 an das Substrat eingelegt werden, wenn Oxide in der Kammer 12 geätzt werden. Ein zweites RF Signal kann von der RF Spannung 30 oder einer separaten RF Quelle (nicht dargestellt) mit dem Substratträger 13 verbunden werden. Die Wände der Kammer 12 fungieren in diesem Fall als eine geerdete Elektrode. Eine andere Alternative ist es, die planaren Spule oder den Silizium- oder anderen Festkörper-Fluor-Scavanger-Gegenstand als Gegenelektrode zu verwenden. Die RF Bias-Leistung kontrolliert die Substrat Randschicht-Spannung.
  • Nun Bezug nehmend auf Fig. 3; die planare Spule 20 induziert ein elektromagnetisches Feld, das das dielektrische Schild 18 durchdringt und ein Feldstarkenprofil 60 hat, wie es gestrichelt gezeigt ist. Das gleichförmige elektromagnetisches Feld liefert ein gleichförmiges Zirkularfeld von Elektronen in der elektromagnetischen Feldregion, die die Precursor-Gas- Moleküle beeinflussen, wobei innerhalb der Plasmaregion Plasma-Spezies generiert werden. Weil nur ein geringer oder kein Einfluss auf das Substrat in der nicht-planaren Richtung genommen wird, mit Ausnahme willentlich verursacht mit der RF Bias-Leistung, verursachen die reaktiven Plasma- Spezies geringen Schaden an dem Wafer.
  • Ein Fluor-Scavanger sollte sich, wenn es ein fester Gegenstand ist, für maximale Effizienz und gute Gleichförmigkeit über große Substrate, wie zum Beispiel 200 mm Durchmesser Silizium-Wafer, oberhalb und parallel zu der zu ätzenden Fläche und benachbart zu dem dielektrischen Schild befinden. Wenn er ein fester Gegenstand ist, wie zum Beispiel die Silizium Platte 26, muss der Fluor-Scavanger so platziert und dimensioniert sein, dass er nicht mit dem RF Induktionsfeld, das durch das dielektrische Schild hindurch generiert wurde, wechselwirkt. Dies kann gemacht werden, indem die Dicke des festen Gegenstandes, sein spezifischer Widerstand als Funktion der Temperatur and die Frequenz der RF Leistung, die in die Spule induktiv eingekoppelt wird, berücksichtigt wird. Die RF Leistungsfrequenz, die Gegenstandsdicke und dessen spezifischer Widerstand muss so gewählt werden, dass bei der höchsten Betriebstemperatur des festen Gegenstandes, wenn sein spezifischer Widerstand am geringsten ist, die Eindringtiefe des elektromagnetischen RF Feldes in den Fluor-Scavenger groß gegenüber der Dicke des Gegenstandes ist. Dies verlangt gewöhnlicher Weise eine niedrige Frequenz - Betrieb unter 13.56 MHz - mit zum Beispiel dünnen Siliziumplatten mit weniger als etlichen Millimetern Dicke. Auch der spezifische Widerstand der festen Scavenger- Quelle kann variiert werden, zum Beispiel durch Bereitstellen einer dotierten Siliziumplatte, da die Dotiersubstanzen den spezifischen Widerstand des Siliziums bei Betriebstemperaturen von bis zu mehreren hundert Grad Celsius erniedrigen. Um Prozessstabilität zu erreichen, kann auch eine Temperatursteuerung der Scavenger-Quelle zur Verfügung gestellt werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Scavenger-Quelle als fester Gegenstand zur Verfügung gestellt, wobei der besagte Gegenstand die Form einer Platte, eines Ringes oder Zylinders hat.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform jedoch ist die feste Scavenger- Quelle ein Ring.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Fluor-Scavenger als Ring um das Substrat angebracht.
  • Der Plasma-Ätz-Prozess beruht auf der Tatsache, dass wenn ein Fluorkohlenwasserstoff-Precursor-Gas einem plasmaerzeugenden Feld ausgesetzt wird, verschiedene Fragmente generiert werden, beinhaltend F, CF und CF&sub2; Radikale. Das freie Fluor ätzt Oxide wie z. B. Siliziumoxid, aber andere Spezies bilden C-F Polymere, die im allgemeinen ungefähr 50% Fluor enthalten und die sich auf den Seitenwänden der geätzten Vias ablagern können und auch so wirken, dass untenliegende und obenliegende Schichten vor dem Ätzen geschützt werden. Diese Polymere jedoch werden von Sauerstoff angegriffen, der durch Siliziumoxid gebildet wird, und auch durch freies Fluor, wodurch die Selektivität zwischen Siliziumoxid und anderen Materialien auf dem Substrat, die geätzt werden sollen, nicht hoch ist. Wird jedoch ein Scavenger für Fluor, wie z. B. eine Siliziumsquelle, im Plasma zur Verfügung gestellt, nimmt der Scavenger freies Fluor auf, und reduziert dadurch, dass das Substrat doch freies Fluor angegriffen wird. Wenn weniger freie Fluor radikale in dem Plasma vorhanden sind, wird darüber hinaus das schützende Polymer kohlenstoffangereichert, und enthält z. B. nur zirka 40 Gewichtsprozent Fluor.
  • Der Scavenger für Fluor kann am einfachsten in Form eines festen Siliziumgegenstandes zur Verfügung gestellt werden, z. B. als Platte oder Scheibe innerhalb oder nahe des Plasmas.
  • Kohlenstoffverbindungen sind ebenfalls geeignete Scavengers für Fluor.
  • Eines feste kohlenstoffenthaltende Verbindungen, wie z. B. Grafit oder Siliziumkarbid kann auch verwendet und gegen eine Siliziumsplatte ausgetauscht werden. Wiederum muss die Dicke des kohlenstoffenthaltenden Gegenstandes klein im Vergleich zu der Eindringtiefe der angelegten RF Leistung bei der Verwendungstemperatur sein. Wenn die Fluor-Scavenger- Quelle außerhalb der Plasma-Regionen angeordnet ist, kann sie auf eine Temperatur erhitzt werden, sodass freie Silizium- oder Kohlenstoffatome in das Plasma übergehen. In einem solchen Fall können auch Mittel zum Heizen der Silizium- oder Kohlenstoffquelle zur Verfügung gestellt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand zwischen dem die elektrischen Fenster und dem Substrat groß, sodass eine Diffusion von aktiven Plasma-Spezies zu anderen Teilen der Kammer auftreten kann und der Fluor-Scavenger ist als Ring um das Substrat platziert. In diesem Fall braucht das RF induktive Feld nicht den festen Fluor-Scavenger zu durchdringen und die Voraussetzung einer großen RF Eindringtiefe in feste Fluor-Scavengers, wie oben beschrieben, ist nicht notwendig. Andere Variationen von Anordnungen und Materialien sind für einen Fachmann offenkundig und sollen hierin eingeschlossen sein.
  • Gemäß einem besonderen Aspekte bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Produzieren eines planaren Plasmas, beinhaltend eine Kammer, die an einem Ende eine dielektrisches Fenster hat, einem Anschluss für Plasma-Precursor-Gase, die in die Kammer gerührt werden sollen, und einem Substrathalter innerhalb der Kammer, um es im allgemeinen parallel bezüglich des genannten Eingangsanschlusses zu halten, einer elektrisch leitenden Spule außerhalb der Kammer und in der Nähe zu dem dielektrischen Fenster und Mittel um eine Radiofrequenzquelle an die Spule zu koppeln; die Verbesserung beinhaltet, eine feste Quelle für einen Scavenger für Fluor zur Verfügung zustellen, die innerhalb oder nahe bei dem Plasma ist, das in der Kammer generiert wird.
  • Gemäß einem weiteren besonderen Aspekte bezieht sich die Erfindung auf eine Methode für die Bearbeitung eines Substrates mit sauerstoffhaltigen Schichten darauf; die Methode beinhaltet das Montieren des Substrates in einer Vakuumkammer, die mit einem dielektrischen Schild ausgestaltet ist, sodass das Substrat im wesentlichen parallel zu dem Schild ist, das Anlegen einer Radiofrequenzspannung an das Substrat, das Zuführen eines Fluorkohlenwasserstoff-Ätz-Gases in die Kammer, das Bilden eines Plasmas aus dem Gas, indem ein Radiofrequenz-Strom an eine im wesentlichen planare Spule angelegt wird, die außerhalb der Kammer in der Nähe des dielektrischen Fensters angeordnet ist, und das Einrühren einer festen Quelle für einen Scavenger für Fluor in die Kammer, wobei die Sauerstoff enthaltende Schicht im Bezug auf eine nicht-sauerstoff-enthaltende Schicht auf dem Substrat selektiven geätzt wird.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Ätzen eines Substrates (15) in einem fluorhaitigen Plasma mit
einer Kammer (12), die einen Einlass (17) für ein Plasma-Precursor-Ätzgas und ein Substratträger (13) für ein Substrat (15) enthält,
wobei ein Ring aus Silizium oder einem karbonhaltigem Material um das Substrat (15) angebracht ist und einen Scavenger für Fluor im Plasma bietet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Ring Ionen in das Plasma liefert, was die Selektivität zwischen sauerstoffhaltigen und nicht sauerstoffhaltigen Oberflächen verbessert.
3. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, die weiterhin einen Heizapparat zur Kontrolle der Temperatur des Ringes aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Heizapparat die Temperatur des Rings über die umgebende Prozesstemperatur aufheizt.
5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine RF Energiequelle an den Ring angeschlossen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Temperatur des Rings aus Silizium oder einem karbonhaltigem Material eine solche ist, dass Silizium- oder Kohlenstoff-Atome erzeugt werden, die in das Plasma übergehen können.
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, die weiterhin eine kapazitive Elektrode enthält.
8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, die weiterhin eine externe Antenne (20) enthält, um Energie induktive in die Kammer einzukoppeln.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die externe Antenne (20) parallel zu dem Substratträger (13) ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei RF Energie in die Kammer (12) eingekoppelt werden kann, um das Plasma in der Kammer zu erhalten, wobei der Substratträger (13) in der Kammer (12) das Substrat (15) trägt, das in einer im allgemeinen horizontalen Position geätzt werden soll.
11. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiterhin enthaltend
eine planare Elektrode (20) außerhalb der Vorrichtung zur Versorgung mit Energie, um ein Plasma in der Vorrichtung zu scharfen, und
ein Substratträger (13) in der Vorrichtung zum Tragen des Substrats (15), das im allgemeinen parallel zu der Elektrode (20) geätzt werden soll.
12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Reaktor ist.
13. Reaktor nach Anspruch 12, wobei der Reaktor eine dielektrisches Fenster (18) hat, das in einem Abstand und parallel zu dem Substratträger (13) ist.
14. Methode zum selektiven Ätzen einer sauerstoffhaltigen Schicht eines Substrats, mit den Schritten:
befestigen des Substrats in einer Vakuumkammer, die mit einer dielektrischen Abschirmung ausgestattet ist, so dass das Substrat im Wesentlichen parallel zu der Abschirmung ist,
einführen eines ringförmigen Scavengers für Fluor, der um das Substrat angebracht ist, wobei der Scavenger in der Form eines festen Körpers aus Silizium oder einem karbonhaltigen Material ist,
einleiten eines fluor-enthaltenden Ätzgases in die Kammer;
bilden eines Plasmas.
15. Methode nach Anspruch 15, wobei der feste Körper aus Silizium unabhängig geheizt werden kann.
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