DE69226253T2

DE69226253T2 - Plasmaätzverfahren und Reaktor zur Plasmabearbeitung

Info

Publication number: DE69226253T2
Application number: DE1992626253
Authority: DE
Inventors: Kenneth S. San Jose Cal. 95112 Collins; David W. Sunnyvale Ca 94087 Groechel; Peter R. Newark Ca 94560 Keswich; Jeffrey San Jose Ca 95129 Marks; Jerry Yuen-Kui Fremont Ca 94539 Wong; Chan-Lon Los Gatos Ca 95032 Yang
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1992-01-24
Filing date: 1992-12-23
Publication date: 1998-12-17
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: EP0552491B1; DE69226253D1; EP0849766A3; EP0849766A2; EP0552491A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Plasmaätzverfahren. Die Erfindung liegt im Gebiet der RF-Plasmaverarbeitungsreaktoren und genauer eines Plasmareaktors, der eine Energiequelle mit Radiofrequenz (RF) benützt, um die zugehörige RF elektromagnetische Welle elektromagnetisch mit dem Plasma zu koppeln, wobei eine Siliziumquelle mit dem Plasma in Kontakt steht, und betrifft Verfahren, die in solch einem Reaktor durchgeführt werden.
Die Entwicklung zu immer dichter zusammenhängenden Geometrien führte zu Teilen und Vorrichtungen sehr kleiner Geometrie, die wegen Teilchenbombardments oder -strahlung elektrisch empfindlich und anfällig für Schaden sind, wenn sie so geringen Waferhüllspannungen wie etwa 200-300 Volt unterworfen werden. Unglücklicherweise weisen solche Spannungen geringere Größen auf als Spannungen, denen die Teile des Schaltkreises während der Herstellungsverfahren mit integrierten Schaltkreisen des Standards unterworfen sind.
Strukturen wie MOS Kondensatoren und Transistoren, für fortschrittliche Vorrichtungen hergestellt, weisen sehr dünne (< 20 nm (200 Ångström) Dicke) Gate-Oxide auf. Diese Vorrichtungen können beim Aufladen beschädigt werden, was einen Zusammenbruch des Gates zur Folge hat. Das kann durch ein Plasmaverfahren bei Nicht-Stattfinden einer Neutralisierung der Ladungsoberfläche, durch ungleichmäßige Plasmaspannung/ oder -dichte oder durch große RF-Verschiebungsströme geschehen. Leiter wie verbundene Kabel können ebenso aus ähnlichen Gründen beschädigt werden. Ebenso werden die Ätzverfahren unzulänglich, die in herkömmlichen Plasmaätzkammern durchgeführt werden, wenn sehr hohe Längenverhältnisse, das heißt, sehr tiefe und sehr enge Öffnungen und Gräben mit einer Vielzahl von Halbleitermaterialien gebildet oder ausgefüllt werden müssen.

RF-Systeme

Betrachten wir zuerst Halbleiterverarbeitungssysteme nach dem Stand der Technik wie CVD- (chemische Gasphasenausscheidung) und RIE- (reaktives lonenätzen) Reaktorsysteme. Diese Systeme können Radiofrequenzenergie bei niedrigen Frequenzen von etwa 10-500 KHz bis zu höheren Frequenzen von etwa 13,56-40,68 MHz verwenden. Unter etwa 1 MHz können Ionen und Elektronen durch das schwingende elektrische Feld und durch jedes im Plasma entwickelte stationäre elektrische Feld beschleunigt werden. Bei solchen relativ geringen Frequenzen liegt die Elektrodenhüllspannung, die an den Wafern erzeugt wird, typischerweise bei Spitzen bis zu einem oder mehreren Kilovolt, was viel höher liegt als die Schadensschwelle von 200-300 Volt. Über einigen MHz sind die Elektronen immer noch fähig, dem sich ändernden elektrischen Feld zu folgen. Schwerere Ionen jedoch können dem sich ändernden Feld nicht folgen, werden aber durch stationäre elektrische Felder beschleunigt. In diesem Frequenzbereich (und bei angewandten Gasdrücken und Leistungspegeln) liegen die stationären Hüllspannungen im Bereich von einigen hundert Volt bis 1000 Volt oder mehr.
Ein Beispiel eines Halbleiterverarbeitungssystems nach dem Stand der Technik wird im Dokument J. Vac. Sci. Technol. B9 (2) März/April, S. 310-317 (1991) bekanntgegeben. Dieses Dokument gibt ein System zur Anwendung einer Heliumquelle in der Plasmaverarbeitung bekannt. Es legt Ergebnisse aus einer Studie über die Modusübergänge in der Heliumquelle dar, wenn sie in der Geometrie einer Plasmaverarbeitung verwendet werden. Die Autoren beobachten die grundlegenden Merkmale von hoher Dichte (> 5 x 10¹¹ cm&supmin;³ in der Verarbeitungskammer bei 500 W) und geringer Plasmaspannung (etwa 15 Volt) in dieser Anordnung.

Magnetische Feldverstärkung

Eine beliebte Behandlung zur Verminderung der Vorspannung in RF-Systemen schließt die Anwendung eines magnetischen Feldes auf das Plasma ein. Dieses Feld B beschränkt die Elektronen auf den Bereich nahe der Oberfläche des Substrates und erhöht die Ionenflußdichte und vermindert so die erforderliche Spannung und Ionenenergie. Zum Vergleich könnte ein nicht magnetisches RIE-Musterverfahren zum Ätzen von Siliziumdioxid RF-Energie, die bei 13,56 MHz angewendet wird, ein asymmetrisches System mit 10-15 Liter Volumen, 6,6 Pa (50 Millitorr) Druck und ein Verhältnis des Anodenraums zum Wafer-tragenden Kathodenraum von etwa (8-10) bis 1 und eine Hüllspannung zur Entwicklung des Substrates (der Kathode) von etwa 800 Volt verwenden. Die Anwendung eines magnetischen Feldes von 6 x 10&supmin;³ Tesla (60 Gauss) kann die Vorspannung von 800 Volt auf etwa 500-600 Volt um etwa 25- 30 Prozent vermindern, während die Ätzgeschwindigkeit um so viel wie etwa 50 Prozent erhöht wird.
Die Anwendung eines stationären Feldes B parallel zum Substrat entwickelt jedoch eine E x B Ionen-/Elektronenwanderung und einen damit verbundenen Plasmadichtegradienten, der diametral über das Substrat gerichtet ist. Der Plasmengradient verursacht ungleichförmiges Ätzen, Ablagerung und andere nicht gleichförmige Filmeigenschaften auf dem Substrat. Die Ungleichheiten können vermindert werden, indem das Magnetfeld um das Substrat gedreht wird, typischerweise entweder durch mechanische Bewegung von Permanentmagneten oder durch Verwendung von elektromagnetischen Spulenpaaren, die in Quadratur in um 90 Grad verschobener Phase gefahren werden, oder durch gleichzeitige Überwachung des Stroms in Spulenpaaren, um das Magnetfeld bei einer geregelten Geschwindigkeit abzustufen oder anders zu bewegen. Obwohl die Drehung des Feldes die Ungleichförmigkeit des Gradienten vermindert, bleibt jedoch typischerweise ein gewisser Grad an Ungleichförmigkeit bestehen.
Desweiteren ist es schwierig, Spulen und im besonderen zwei oder mehrere Spulenpaare um eine Kammer zu packen und ein kompaktes System zu erzielen, besonders wenn die Anordnung einer Helmhotzspule und/oder ein Vielkammersystem von einzelnen magnetisch verbesserten Reaktorkammern verwendet wird, die eine gemeinsame Ladeschleuse umgeben.
Ein einzigartiges Reaktorsystem, das die Fähigkeit aufweist, sofort und selektiv die Magnetfeldstärke und -richtung zu ändern und das zur Verwendung in kompakten Vielkammerreaktorsystemen bestimmt ist, wird im allgemein angegebenen US-Patent 4.842.683 bekanntgegeben, das am 27. Juni 1989 im Namen der Erfinder Cheng et al. herausgegeben wurde.

Mikrowellen/ECR-Systeme

Mikrowellen- und Mikrowellen ECR- (Elektronenzyklotronresonanz) Systeme verwenden zur Erregung des Plasmas Mikrowellenenergie von Frequenzen von > 800 MHz und typischerweise Frequenzen von 2,45 GHz. Dieses Verfahren erzeugt ein hoch dichtes Plasma, aber geringe Teilchenenergien, die für viele Verfahren wie das reaktive Ionenätzen von Siliziumdioxid unter einer minimalen Schwellenreaktionsenergie sein kann. Zur Kompensation wird eine energieverbessernde elektrische Leistung geringer Frequenz an die substrattragende Elektrode und durch das Substrat an das Plasma gekoppelt. So wird die Wahrscheinlichkeit der Beschädigung des Substrates in bezug auf frühere Systeme vermindert.
Mikrowellen- und Mikrowellen ECR- Systeme, die bei angewandten Leistungspegeln für die Verarbeitung von Halbleitersubstraten wie Ätzen oder CVD arbeiten, erfordern jedoch große Wellenleiter für die Energieübertragung und teure Tuner, Richtungskoppler, Zirkulatoren und fiktive Belastungen für den Betrieb. Um der ECR-Bedingung für ECR Mikrowellensysteme zu genügen, die bei im Handel erhältlichen 2,45 GHz arbeiten, ist zusätzlich ein Magnetfeld von 8,75 X 10&supmin;² Tesla (875 Gauss) nötig, was große Elektromagneten und einen großen Leistungs- und Kühlbedarf erfordert.
Mikrowellen und ECR Mikrowellensysteme sind nicht leicht maßstäblich umsetzbar. Die Hardware ist für 2,45 GHz erhältlich, weil diese Frequenz in Mikrowellenöfen verwendet wird. 915 MHz-Systeme sind ebenfalls erhältlich, obwohl sie mehr kosten. Die Hardware ist für andere Frequenzen nicht leicht oder wirtschaftlich erhältlich. In der Folge erfordert ein maßstäbliches Vergrößern eines 12,7-15,2 cm (5-7 Inch) Mikrowellensystems zur Anpassung an größere Halbleitersubstrate die Verwendung von höheren Betriebsmoden. Diese Maßstabsveränderung bei festen Frequenzen durch höhere Betriebsmoden erfordert genaue Verfahrenskontrolle, um sogenanntes Moduskippen auf höhere oder geringere Belastungsgrößen und entstehende Verfahrensänderungen zu verhindern. Maßstäbliche Anpassung kann andererseits zum Beispiel für eine Mikrowellenvertiefung von 5-6 Inch erreicht werden, indem ein divergierendes Magnetfeld verwendet wird, um den Plasmafluß über ein großes Gebiet auszubreiten. Dieses Verfahren vermindert die wirksame Leistungsdichte und so die Plasmendichte.
Desweiteren müssen ECR Systeme bei sehr geringen Drücken in der Ordnung von 0,266-0,399 Pa (2-3 Millitorr) bedient werden, weil die Dichte des im System erzeugten Plasmas sehr schnell über etwa 0,266-0,399 Pa (etwa 2-3 Millitorr) fällt. Das erfordert die Zuspeisung eines großen Volumens an reaktivem Gas zum System und erfordert ebenso große Vakuumabsaugsysteme, um diese großen Gasvolumina zu entfernen.

HF Übertragungsleitsystem

Die EP Anwendung 91112917.9, am 7. Juli 1991 unter dem Titel "Plasma Processing Reactor" eingereicht, gibt ein VHF/UHF Hochfrequenzreaktorsystem bekannt, in dem die Reaktorkammer selber zur Anwendung einer im Plasma hoher Frequenz erzeugten Energie auf die Kammer von einem passenden Netz aus teilweise als Übertragungsleitstruktur angeordnet ist. Die einzigartige Integralübertragungsleitstruktur erlaubt die Erfüllung der Erfordernisse einer sehr kurzen Übertragungsleitung zwischen dem angepaßten Netz und der Ladung und erlaubt die Verwendung relativ hoher Frequenzen von 50 bis 800 MHz. Es ermöglicht die wirksame, überprüfbare Anwendung von RF-Plasma erzeugender Energie auf die Plasmenelektroden, um für den Handel tragbare Ätz- und Ablagerungsgeschwindigkeiten bei relativ geringen Ionenenergien und geringen Hüllspannungen zu erzeugen. Die relativ geringe Spannung vermindert die Wahrscheinlichkeit eines Schadens der elektrisch empfindlichen Halbleitervorrichtungen geringer Geometrie. Das VHF/UHF System vermeidet einige andere Unzulänglichkeiten des Stands der Technik wie die oben beschriebenen Begrenzungen der maßstäblichen Anpassung und der Leistung.
Das Dokument J. Vac. Sci. Technol. A 5(f), S. 1585-1594, (Jul/Aug 1987) gibt eine Studie über mit der reaktiven Ionenätzung verbundene Si Oberflächenrückstände und den Schaden unter der Oberfläche bekannt, ihre Beziehung zu Grundätzvorgängen umfassend. Dieser Artikel stellt fest, daß das Reaktivionenätzen von SiO&sub2; und Si&sub3;N&sub4; über Silizium durch Zugabe von H&sub2; zum Plasmagas verbessert werden kann, um Fluor aus dem Plasma einzufangen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Ätzsysteme und Ätzverfahren des Stands der Technik zu verbessern, indem die Selektivität des Ätzverfahrens erhöht wird.
In einem Gesichtspunkt liefert die vorliegende Erfindung, die Unzulänglichkeiten des Stands der Technik überwindet, ein Plasmaätzverfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und ein Gerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 27. Weitere vorteilhafte Merkmale, Seiten und Einzelheiten der Erfindung sind aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung, den Beispielen und den Zeichnungen ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figuren 1-3 sind schematische Schnittansichten mehrerer Ausführungen eines Plasmareaktorkammersystems der vorliegenden Erfindung.
Figur 4 ist ein Diagramm eines Abstimmkreises.
Figur 5 ist ein Diagramm eines Verbraucherstromkreises.
Figur 6 ist ein Diagramm eines Verbraucherstromkreises mit angewandter RF-Eingangsleistung.
Figur 7 ist ein Diagramm einer Verbindung von Abstimmkreis und Belastungskreis.
Figur 8 ist ein Diagramm einer weiteren Ausführung einer Verbindung eines Abstimmkreises und eines Belastungskreises.
Figur 9 ist ein Diagramm einer noch weiteren Ausführung einer Verbindung eines Abstimmkreises und eines Belastungskreises.
Figur 10 ist eine graphische Darstellung einer Ätz/Ablagerungsgeschwindigkeit gegen eine Vorspannung für Siliziumoxid und Silizium.
Figur 11 ist eine Wellenart einer Gleichstromvorspannung, die während dem Ätzen angelegt wird.
Figur 12 ist eine andere Ausführung einer Wellenart einer Gleichstromvorspannung, die während dem Ätzen angelegt wird.
Figur 13 ist eine waagrechte Darstellung einer magnetischen Anordnung an der Kuppel der Reaktionskammer der Erfindung.
Figuren 14 A-D sind Diagramme verschieden geformter magnetischer Feldlinien von Systemen der Erfindung.
Figuren 15 A-B sind Ausführungen von Faradayschen Käfigen, die in den Systemen der Erfindung verwendbar sind.
Figur 16 ist ein Blockdiagramm eines Regelkreises für verschiedene Bestandteile des Systems der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Gerät und ein Verfahren zur Plasmaverarbeitung, die verbesserte Selektivität der Ätzverfahren und Veränderlichkeit der Ätzgeschwindigkeiten und gleichzeitige Ablagerung, Ätzen und Einebnen abgeschiedener Schichten erlaubt.
In der vorliegenden Kammer wird vorzugsweise LF/VHF (geringe Frequenz bis sehr hohe Frequenz) RF-Leistung im Bereich von 100 KHz bis 100 MHz verwendet. Bevorzugter wird LF/HF Leistung im Bereich von 100 KHz bis 10 MHz verwendet. Am meisten bevorzugt wird MF (mittlere Frequenz) Leistung im Bereich von 300 KHz bis 3 MHz verwendet. Das Kopplungsmittel ist vorzugsweise eine vielfach gewundene zylindrische Spulenantenne mit einer abgewickelten elektrischen Länge von < λ/4, wobei λ die Wellenlänge der RF-Anregungsenergie mit hoher Frequenz ist, die während der Plasmaverarbeitung auf die Spulenantenne angewendet wird.
Die vorliegende Erfindung umfaßt auch sowohl Mittel, die mit der obigen Antenne verbunden sind, um die Antenne auf Resonanz zu stimmen, als auch Lastmittel, die mit der Antenne verbunden sind, um die Eingangsimpedanz der Quelle auf die Ausgangsimpedanz der Mittel zur Versorgung der Antenne mit RF-Energie anzupassen. Das Abstimmmittel kann eine veränderliche Kapazität sein, die zwischen einem Ende der Antenne und der RF Erdung elektrisch verbunden ist. Das Lastmittel kann eine veränderliche Kapazität sein, die zwischen dem anderen Ende der Antennenspule und der RF- Erdung elektrisch verbunden ist. Die RF-Energie kann über einen Abgriff an einer gewählten Stelle entlang der Spulenantenne angewendet werden.
In einem weiteren Gesichtspunkt schließt das vorliegende System eine dielektrische Kuppel oder einen Zylinder mit ein, der den Bereich der Quelle festlegt. Vorzugsweise umgibt die Spulenantenne die Kuppel zur induktiven Kopplung der hoch frequenten elektromagnetischen Energie in die Kammer. Der Artikel oder das Substrat, das erzeugt werden soll, kann sich im Bereich der Quelle oder in der Kuppel, innerhalb oder nahe beim Volumen oder der unteren Windung der Antenne oder vorzugsweise stromabwärts von der Antenne befinden.
Die vorliegende Erfindung umfaßt ebenso Mittel zur Einspeisung von Gas in die Kammer, die einen Gaseinlaß an der Spitze der Kuppel, einen ersten Ringverteiler am Fuß des Kuppelquellenbereichs und einen zweiten Ringverteiler um die Substrat tragende Elektrode umfassen, um selektiv eine Verdünnung, eine Passivierung oder andere Gase bei der Verarbeitung in die Kammer zu liefern.
In noch einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung koppelt eine Wechselstromquelle und ein Regelkreis kapazitiv eine Wechselstromgrundleistung, typischerweise der gleichen oder ähnlichen Frequenz wie die Quellenspulenenergie, an eine Substrat tragende Kathode, wodurch eine Kontrolle der Kathodenhüllspannung und der Ionenenergie unabhängig von der Überwachung der Plasmendichte bewirkt wird, die durch die Quelle der RF-Leistung bewirkt wird. Das System liefert eine Grundfrequenz, die gewählt wird, um eine Anzahl an Zielen zu erreichen. Erstens wird die obere Frequenzgrenze so gewählt, daß "Strom-induzierter" Schaden verhindert wird (eine zu hohe Frequenz kann bei empfindlichen Vorrichtungen einen Schaden durch Aufladen verursachen). Die untere Frequenzgrenze wird zum Teil so gewählt, daß "Spannungs-induzierter" Schaden ausgeschlossen wird. Eine untere Frequenzvorspannung ergibt auch höhere Substrathüllspannungen pro Einheit Grundleistung (geringere Aufheizung der Substrate) und trägt weniger zur Plasmendichte bei und bietet so eine bessere unabhängige Überwachung der Ionendichte und -Energie. Eine zu geringe Grundfrequenz erlaubt den Ionen jedoch, dem RF-Teil des elektrischen Hüllfeldes des Substrates zu folgen, wodurch die Ionenenergien abgestimmt werden. Das Ergebnis ist ein höheres Spitzen- zu durchschnittlichem Energieverhältnis und eine breitere (doppelter Peak) Ionenenergieverteilung. Sehr geringe Grundfrequenzen verursachen eine Isolatoraufladung, wodurch ioneninduzierte Prozesse während einem Teil der Grundfrequenzdauer gehemmt werden. Wie oben beschrieben entsprechen die bevorzugten Frequenzbereiche zur Zufriedenstellung der obigen Überlegungen passenderweise den bevorzugten Quellenfrequenzbereichen.
Die Erfindung umfaßt desweiteren Kontrollmittel, um die Gleichstromvorspannung zwischen niedrigen und hohen Werten zyklisch zu schwingen, die gewählt werden, um eine passivierende Beschichtung wie eine Polymerbeschichtung aus einem ersten gewählten Material auf einem Substrat zu bilden, das geätzt werden soll, um eine relativ geringe Ätzgeschwindigkeit des Substratmaterials und eine relativ hohe Ätzgeschwindigkeit und Selektivität für ein zweites Material zum Beispiel eine Schicht eines zweiten Materials auf dem Substrat zu liefern.
In einem weiteren Gesichtspunkt wird die Kammer durch ein erstes Vakuumpumpmittel, das genau mit der Kammer verbunden ist, und ein zweites Vakuumpumpmittel, das mit der Kuppel verbunden ist, evakuiert, wodurch ein senkrechter Differenzdruck über die Kuppel errichtet wird, um einen Fluß von neutralen Teilchen aus der Kuppel zu bilden, und wobei die Spannung an der Substrat tragenden Elektrode ausreicht, den Differenzdruck zu überwinden, so daß die geladenen Teilchen zur Kammer fließen.
Andere Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung umfassen einen leitenden Faradayschen Käfig unterschiedlicher Gestalt, der zwischen der Spulenantenne oder anderen koppelnden Mitteln und der Reaktionskammer liegt, um ein Koppeln der elektrischen Feldkomponente der hoch frequenten elektromagnetischen Energie in die Kammer zu verhindern. Ebenso konzentriert ein Hochfrequenzreflektor, der um die Spule oder um andere Koppelmittel angeordnet ist, Strahlung hoher Frequenzenergie in die Kammer.
Für magnetische Anreicherung wird durch periphere Dauer- oder elektromagnetische Einrichtungen gesorgt, die ein kontrolliertes statisches Magnetfeld parallel zur Achse der Antenne, gewählt aus gleichförmigen, ablenkenden und magnetischen Spiegelanordnungen anwenden, um den Standort und den Transport des Plasmas stromabwärts bezüglich des Substrates zu überwachen. Ebenso können Magneten um die Quelle und/oder um die Kammer errichtet werden, um ein multipolares Spitzenfeld in der Nähe des Substrates auf die Kammer anzuwenden, um das Plasma auf den Substratbereich zu beschränken, während das Magnetfeld durch das Substrat im wesentlichen entfernt wird. Zusätzlich kann ein Magnetnebenschluß um das Substrat und die Substrat tragende Elektrode gelegt werden, um jedes Magnetfeld von der Substrat tragenden Elektrode abzulenken.
Der Systemaufbau erlaubt maßstäbliches Verändern seiner Größe durch Wahl der Betriebsfrequenz, während ein geringer Betriebsmodus zurückgehalten wird.
Hinsichtlich des Verfahrens ist die Erfindung in einem Verfahren zur Plasmaerzeugung ausgeführt, umfassend das Bereitstellen einer Vakuumkammer mit einem Quellenbereich; Halten eines Artikels oder Substrates, der/das auf einer Elektrode in der Kammer verarbeitet werden soll; Einspeisung von Verarbeitungsgas in die Kammer; elektromagnetisches Koppeln von RF-Energie in die Kammer, um die Plasmenhüllspannung an der Substrat tragenden Elektrode zu kontrollieren; kapazitives Koppeln der RF-Energie in die Kammer über die Trägerelektrode, um die Hüllspannung an der Trägerelektrode zu kontrollieren; und Bereitstellen einer Siliziumquelle in Kontakt mit dem Plasma.
Das Verfahren umfaßt gemäß weiteren Gesichtspunkten automatisches und wiederholtes Abstimmen der Antenne auf Resonanz und Lastabstimmung ihrer Eingangsimpedanz auf die Impedanz der RF-Energieversorgung für die Antenne.
In einem weiteren Gesichtspunkt umfaßt das Verfahren zur Herstellung eines Plasmas die Bereitstellung einer Vakuumkammer mit einer Quelle und Verarbeitungsbereichen und mit Wänden, einer Elektrode im Verarbeitungsbereich und einer Elektrode im Quellenbereich; elektrisches Verbinden der Elektrode im Verarbeitungsbereich, der Wände der Kammer und der Quellenelektrode, wobei die Elektrode im Verarbeitungsbereich die Kathode ist, die Wände die Anode sind, und die elektrische Verbindung der Quellenelektrode von der geerdeten, nicht geerdeten und RF- oder Gleichspannungsvorspannung gewählt wird; Halten eines zu verarbeitenden Artikels auf der Substrat tragenden Elektrode; Einspeisung von Verarbeitungsgas in die Kammer; Verwendung einer zylindrischen Spulenantenne verbunden mit Mitteln zur Lieferung von RF-Energie zur Antenne; induktives Koppeln von RF-Energie in den Quellenbereich mit Hilfe der Antenne, um ein Plasma zu erzeugen, um ein oder mehrere Materialien auf dem Artikel zu verarbeiten; und kapazitives Koppeln der RF-Energie in die Kammer über die Trägerelektrode, um die Hüllspannung an der Trägerelektrode zu kontrollieren und Bereitstellung einer Siliziumquelle in der Kammer. Die Siliziumquelle kann kristallin oder Polysilizium zum Beispiel Siliziumcarbid, Graphit und ähnliches sein. Vorzugsweise ist die Siliziumquelle eine dritte Elektrode, die im Quellenbereich der Kammer liegt, aber die Siliziumquelle muß nicht eine Elektrode sein und kann sich an anderer Stelle in der Kammer befinden, vorausgesetzt sie steht mit dem Plasma in Kontakt.
In einem weiteren Gesichtspunkt werden die Antennenleistung und die Grundleistung kontrolliert, die an die Elektrode geliefert werden, um selektiv anisotropes, halb-anisotropes und isotropes Ätzen zu bewirken.
Die vorliegende Verarbeitungskammer ist besonders zum Ätzen einer Schicht eines zweiten Materials, insbesondere einer Sauerstoff enthaltenden Schicht wie ein Oxid, nützlich, das über einer Schicht wie Silizium liegt, die keinen Sauerstoff enthält. Die Verwendung einer Quelle an Siliziumionen in der Verarbeitungskammer liefert verbesserte Selektivität und eine Steigerung des Ätzprofils. Das Verfahren umfaßt desweiteren ein zyklisches Fahren der Vorspannung auf einen geringen Wert, ausgewählt zur Bildung einer das Ätzen unterdrückenden Schicht wie ein Polymer auf dem Silizium, und auf einen hohen Wert, um das zweite Material bei einer hohen Geschwindigkeit bezogen auf das Substrat zu ätzen. In allen Fällen liefert das vorliegende Gerät hohe Ätzgeschwindigkeiten und eine hohe Selektivität, die zur Erzeugung von Öffnungen mit großen Längenverhältnissen in der zweiten Schicht bis zum Substrat hinunter erforderlich sind.
Die Verarbeitung im vorliegenden Reaktor umfaßt ebenso Kathodenzerstäubungsabscheidungen eines Oxids wie Siliziumoxid oder Silikate und ein Verfahren in zwei Schritten von erstens Anwendung eines relativ geringen Spiegels an RF- Leistung auf die Trägerelektrode zur Abscheidung des Oxids und zweitens Anwendung relativ hoher Spiegel an RF-Leistung auf die Trägerelektrode zur Abscheidung von Siliziumdioxid, Kristallflächenkathodenzerstäubung des Siliziumoxids und Einebnen der Schicht.
Besondere Verfahrensgesichtspunkte umfassen, sind aber nicht beschränkt auf das Ätzen von Oxiden, das Ätzen von Kontaktlöchern im Oxid umfassend, das über einem Substrat ohne Sauerstoffgehalt gebildet ist, und Ätzen über Löchern im Oxid, das über Aluminium oder anderen Substraten gebildet ist; sehr schnelles isotropes und anisotropes Oxidätzen; Ätzen von Polysiliziumleitern wie Gates; Ablösen von Photoresistlacken; anisotropes Ätzen von unter anderem Einzelsiliziumkristallen; anisotropes Ätzen von Photoresistlackens; Abscheiden von Nitrid und Oxynitrid in einem Plasma geringen Druckes; isotrope winkeltreue Abscheidung von Oxid, Oxynitrid und Nitrid unter hohem Druck; Ätzen von Metallen wie Aluminium, Wolfram und Titan und ihren Verbindungen und Legierungen wie Wolframsilizid; und Abscheidung verschiedener Materialien bei unterschiedlichen Abscheidungsgeschwindigkeiten und Kristallflächenkathodenzerstäubungsablagerung lokal und global und mit Einebnung umfassend.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

1. ÜBERSICHT

Die Figuren 1-3 sind schematische Schnittansichten mehrerer Ausführungen eines Kammersystems 10 eines Plasmareaktors zur Verarbeitung eines Halbleitersubstrates 5, das eine Anordnung einer induktiven Plasmenquelle, eine Anordnung einer magnetisch gesteigerten Plasmenquelle, eine Anordnung einer kapazitiv gekoppelten Vorspannung und andere Erscheinungen der vorliegenden Erfindung verwendet. Die drei Figuren stellen bevorzugte und alternative Merkmale des Systems dar; wegen der Begrenzung des Zeichenraums werden drei Figuren verwendet. Die Musterkammer ist eine Modifikation jener, die in der oben erwähnten mit-angemeldeten eingetragenen Europäischen Patentschrift gezeichnet ist, die eine integrale Übertragungsleitstruktur umfaßt. Die herausragenden Merkmale der Erfindung sind im allgemeinen anwendbar auf Plasmareaktorkammern. Desweiteren wird es von den Fachleuten und aus den Beschreibungen unten verstanden werden, daß verschiedene Merkmale der Erfindung, die zusammenarbeitend die Leistung des Reaktorsystems verbessern, einzeln verwendet werden können oder selektiv aus dem System weggelassen werden können. Zum Beispiel beseitigen die Verfahrensbedingungen, die durch die Anordnung der induktiven Plasmaquelle und durch die Anordnung der kapazitiv gekoppelten Vorspannungsquelle geliefert werden, häufig jeden Bedarf an magnetischer Verstärkung.
Das Mustersystem 10 umfaßt ein Vakuumkammergehäuse 11, das aus einem eloxiertem Aluminium oder einem anderen passenden Material gebildet wird, mit Seitenwänden 12 und oberen und unteren Wänden 13 und 14. Eloxiertes Aluminium wird bevorzugt, weil es Überschlagen und Kathodenzerstäuben unterdrückt. Es können jedoch andere Materialien wie blankes Aluminium mit oder ohne einer verfahrensverträglichen Zwischenlage aus Polymeren oder Quarz oder Keramik verwendet werden. Die obere Wand 13 weist eine zentrale Öffnung 15 auf zwischen einem Substrat-verarbeitenden Abschnitt 16B einer unteren Kammer, der zwischen den Wänden 12-12 festgelegt ist, und einem Quellenbereich 16A einer oberen Kammer, der durch eine Kuppel 17 festgelegt ist. Die Kuppel 17 kann wie eine umgekehrte Tasse mit ein oder zwei Wänden gebaut sein, die aus dielektrischem Material wie vorzugsweise Quarz oder mehreren anderen dielektrischen Materialien umfassend Aluminiumoxid und α-Aluminiumoxid (Saphir) gebildet sind. In der in Figur 1 gezeigten bevorzugten Anordnung umfaßt die Kuppel 17 eine zylindrische Wand 17W aus einem Dielektrikum wie Quarz und einer Decke oder Spitze 17T typischerweise aus Aluminium oder eloxiertem Aluminium. Für Verfahren wie hoch selektives Oxidätzen wird ein Mittel aus Silizium oder eines, das Silizium enthält, für die obere Wand und für siliziumbedeckte Seitenwände der Kuppel bevorzugt.
Wie in Figur 1 gezeigt, wird die Evakuierung des Inneren des Kammergehäuses 11 (Kammer 16) durch ein Drosselventil 18 (das den Druck unabhängig von der Flußgeschwindigkeit regelt) in einem Vakuumrohr 19 kontrolliert, das mit der unteren Wand 14 verbunden ist und mit einem Vakuumpumpsystem 21 verbindet, das eine oder mehrere Vakuumpumpen umfaßt.
Wie in Abschnitt 11 beschrieben können die Kammerbestandteile, umfassend die Kammerwände und die Kuppel, für eine verbesserte Verfahrensleistung geheizt und/oder gekühlt werden. Zum Beispiel kann die Kuppel 17 durch ein flüssiges oder gasförmiges Wärmeübertragungsmedium geheizt oder gekühlt werden, oder es können Heizelemente zur direkten Beheizung der Kuppel verwendet werden.
Wie in Abschnitt 2 beschrieben und in Figur 2 dargestellt, können Betriebsgase, Läutergase, Verdünner, u.s.w. zur Kammer durch drei Verteilereinspritzquellen G1, G2, G3 zugeführt werden, die sich am Fuß der Quelle (Kuppel), der oberen Platte 17T der Quelle und neben dem Wafer befinden. Typischerweise werden die Gase zum Beispiel aus einer oder mehreren Quellen von unter Druck gesetztem Gas über einen Computer geregelten Durchflußregler (nicht gezeigt) in die Kammer 11 zugeführt. Beim Hauptverteiler G1 des Gaseinlasses treten die Gase, wie bei 22 angegeben wird, durch einen Quarzringgasverteiler 51, der auf der Innenseite der oberen Wand 13 oder in die obere Wand 13 eingebaut errichtet ist, in die innere Vakuumsverarbeitungskammer 16. Der Verteiler G1 führt vorzugsweise in einem leicht aufwärtsgerichteten Winkel Ätzgas und/oder Abscheidungsgas in die Kammern/Kammerbereiche 16B und 16A zur Entwicklung eines Ätz- und/oder Abscheidungsplasmas unter Anwendung von RF-Energie. Eine obere Verteileranordnung G2 in der oberen Platte 17T der Kuppel 17 kann verwendet werden, um Reaktanten und andere Gase in die Kammer 16 einzulassen. Es kann ebenso eine Verteilervorrichtung G3 vorgesehen sein, die zur Versorgung mit Reaktanten- und anderen Gasen neben dem Substrat liegt.
Die RF-Energie wird über eine Quelle, die eine Antenne 30 mit mindestens einer Windung oder Wicklung umfaßt, die durch eine RF-Versorgung und ein angepaßtes Netzwerk 31 geladen ist, in die Kuppel 17 zugeführt. Die Antenne 30 weist vorzugsweise eine vielfach gewundene zylindrische Bauart auf. Die Antennenspule 30 legt eine geringste elektrische Länge des Leiters bei einer bestimmten Frequenz und einem bestimmten Durchmesser der Quelle (Spule) fest und weist vorzugsweise eine elektrische Länge auf, die bei der Arbeitsfrequenz weniger als ein Viertel der Wellenlänge (< α/4) ausmacht. Alleine ist die Antenne 30 kein Resonator, aber sie ist, wie unten in Abschnitt 5 beschrieben, zum wirksamen induktivem Koppeln mit der Plasmenquelle nach dem Faradayschen Gesetz der induktiven Kopplung auf Resonanz abgestimmt.
Der Gasfluß vom Kammerquellenbereich 16A geht zur Verarbeitung vorzugsweise abwärts zum Substrat 5 und wird dann vom Substrat 5 aus radial nach außen gepumpt. Zu diesem Zweck kann ein ringförmiger Vakuumverteiler 33 um die Kathodenübergangsleitstruktur 32 zwischen der Kammerwand 12 auf einer Seite und dem äußeren Übertragungsleiter 320 auf der anderen und zwischen der unteren Kammerwand 14 am Boden und einer leitenden Pumpabschirmung 29 oben bestimmt sein. Die Verteilerabschirmung 29 wird zwischen dem Vakuumverteiler 33 und der Wafer-Verarbeitungskammer 168 gestellt und liefert einen leitenden elektrischen Pfad zwischen den Kammerwänden 12 und dem äußeren Leiter 320 der Kathodenübertragungsleitstruktur 32. Der Vakuumverteiler 33 bestimmt einen Ringpumpkanal zur Durchführung von einheitlichem radialen Abpumpen von Abgasen aus der Nähe des Substrates 5. Der Vakuumverteiler 33 überträgt in die Vakuumgassystemleitung 19. Der Gasfluß geht entlang der Pfade 22 vom Verteiler G1 in die Kuppel/Quelle und/oder entlang dem Pfad 24 vom Verteiler G2 in die Kuppel/Quelle und/oder entlang der Pfade 26 vom Verteiler G3 radial hinein in Richtung Substrat 5. Der Gesamtgasfluß geht entlang dem Pfad 34 vom oberen Quellenbereich der Kammer 16A zum Substrat 5, entlang dem Pfad 36 vom Substrat und durch den Schild 29 in den Gasauslaßverteiler 33 und entlang dem Pfad 37 vom Abgasverteiler 33 zum Vakuumsystem 21. Es sollte bemerkt werden, daß der Leitverteilerschirm 29 und die Kathodenübertragungsleitstruktur wählbar sind. Am unteren Ende der interessanten Frequenzen ist die Wellenlänge typischerweise sehr groß, und die Übertragungsleitstruktur ist so unnötig.
Das steht im Gegensatz zu herkömmlichen Anordnungen des RF- Systems, bei denen die RF-Leistung zwischen zwei Elektroden angewendet wird, typischerweise zwischen der Substrat tragenden Elektrode 32C, deren obere Oberfläche das Substrat 5 trägt, und einer zweiten Elektrode, die die Seitenwände 12, die obere Wand 13 und/oder den Verteiler G1 der Reaktorkammer bildet.
Die Antenne 30 liegt kennzeichnend außerhalb und der Kuppel 17 und der Plasmenkammer 16A benachbart, um für die Induktion elektrischer Felder im Betriebsgas die RF elektromagnetische (em) Energie in die Quellenkammer 16A zu koppeln. Nach dem Faradayschen Gesetz der Induktionskopplung regt die sich ändernde B (magnetische) Komponente der em Energie das Betriebsgas an und bildet so ein Plasma in der Kammer 16 (die Ziffer 16 bezeichnet insgesamt die Kammer 16A und 16B und das Plasma), das durch relativ hohe Dichten und Ionen geringer Energie gekennzeichnet ist. Das Plasma wird in der Kuppel 17 erzeugt, verdichtet auf das geringe Volumen, das in der Spulenantenne 30 festgesetzt ist. Aktive Arten umfassend Ionen, Elektronen, freie Radikale und angeregte neutrale Teilchen bewegen sich wegen dem hier beschriebenen vorherrschenden Gasfluß durch Diffusion und durch Massenfluß flußabwärts in Richtung Substrat. Wie in Abschnitt 7 beschrieben, kann auch ein angemessenes Magnetfeld verwendet werden, um Ionen und Elektronen in Richtung Substrat abzuscheiden, wie unten beschrieben wird. Wahlweise, aber vorzugsweise koppelt eine Anordnung 41 einer Eingangsgrundenergie, Figur 1, die eine Quelle 42 und ein angepaßtes Vorspannnungsnetzwerk 43 umfaßt, die RF-Energie an die substrattragende Elektrode 32C, um die Plasmenhüllspannung am Substrat selektiv zu erhöhen und so selektiv die Ionenenergie am Substrat zu erhöhen.
Ein Reflektor 47, der im wesentlichen eine Kiste mit offenem Boden ist, umschließt die Antenne 30 oben und an den Seiten, aber nicht am Boden. Der Reflektor 47 verhindert die Strahlung der RF-Energie in den freien Raum und konzentriert dadurch die Strahlung und den Wärmeübergang der Energie im Plasma, um die Wirksamkeit zu erhöhen.
Wie im Abschnitt 7 genau beschrieben wird, kann ein Faradayscher Käfig 45, Figur 3, gerade innerhalb, über und unter der Antenne 30 aufgestellt sein, um das Magnetfeld mit dem Plasma koppeln zu lassen, aber verhindert direktes Koppeln eines elektrischen Feldes, das Gradienten oder Ungleichmäßigkeiten im Plasma induzieren könnte oder geladene Teilchen auf hohe Energien beschleunigen könnte.
Wie im Abschnitt 8 beschrieben, sind zur Bereitstellung eines Magnetfeldes zur Verstärkung der Dichte des Plasmas am Substrat 5, zum Transport der Ionen zum Substrat oder zur Verbesserung der Plasmengleichmäßigkeit wahlweise ein oder mehrere Elektromagnete 81-81, Figuren 2 und 3, oder Permanentmagnete dem Kammergehäuse 11 benachbart aufgebaut.
Wie ausführlich in Abschnitt 4 beschrieben wird, verwendet die Erfindung die magnetische Komponente der induktiv gekoppelten elektromagnetischen Energie typischerweise bei Frequenzen, die viel geringer sind als Mikrowellen oder Mikrowellen-ECR Frequenzen, um kreisförmige elektrische Felder zur Erzeugung eines Plasmas in einer Vakuumkammer zu induzieren, das durch hohe Dichte und relativ geringe Energie gekennzeichnet ist, ohne möglicherweise schädliche Hochleistungs-RF-Energie durch das Substrat 5 zu koppeln. In der bevorzugten, dargestellten Anordnung einer flußabwärts gelegenen Plasmenquelle wird die RF-Energie weitab vom Substrat mit hoher Plasmendichte vollständig absorbiert, wodurch sichergestellt ist, daß sich die Welle nicht auf das Substrat fortpflanzt, und so die Wahrscheinlichkeit des Schadens minimiert ist. Selektiv und wahlweise wird RF- Grundenergie auf die Substrat tragende Elektrode 32C angewendet, um die Substrathüllspannung und so die Ionenenergie wie erforderlich zu erhöhen.
Die Kammer 16 kann Substrate, umfassend Haibleiterwafer, durch Ablagerung oder Ätzen verarbeiten, wobei Gesamtkammerdrücke von etwa 0,0133 Pa bis etwa 6,6 kPa (etwa 0,1 mTorr bis etwa 50 Torr) und zum Ätzen typischerweise 0,0133 Pa bis 26,6 Pa (0,1 mTorr bis 200 mTorr) verwendet werden. Die Kammer kann bei Drücken < 0,66 Pa (< 5 mTorr) arbeiten und wurde tatsächlich bei 0,266 Pa (2 mTorr) erfolgreich gefahren. Höhere Drücke werden jedoch wegen der erhöhten Pumpgeschwindigkeit und der höheren Fließgeschwindigkeiten für bestimmte Verfahren bevorzugt. Für das Ätzen von Oxiden wird zum Beispiel ein Druckbereich von etwa 0,66 Pa bis etwa 6,6 Pa (etwa 5 mTorr bis etwa 50 mTorr) bevorzugt. Solche relativ hohen Drücke erfordern einen geringen Abstand zwischen der Quelle und dem Substrat. Die Kammer kann erfolgreich bei einem sehr passenden geringen Abstand d zwischen dem Substrat 5 und der unteren Windung der Antenne 30 von etwa 5 cm (2 Inch) ohne Aufladeschaden für empfindliche Vorrichtungen arbeiten und ist so fähig, die Vorteile eines solchen sehr geringen Abstandes zu verwerten: erhöhte Ätzgeschwindigkeiten und Selektivität; verringerte Erfordernis an Grundspannung und Ionenenergie bei einer gegebenen Ätzgeschwindigkeit; und verbesserte Ätzgleichmäßigkeit über das Substrat. Die Verminderung des Abstandes d zwischen dem Wafer 5 und der Quellenantenne 30 von zum Beispiel 10 cm (4 Inch) (was schon ein geringer Abstand ist) auf 5 cm (2 Inch) hat die Spannungsanforderung halbiert und die Gleichmäßigkeit von etwa 2,5 Prozent auf 1 Prozent erhöht.

2. GASVERARBEITUNGSYSTEM

Wie erwähnt umfaßt die Kammer vielfache Gaseinspritzquellen G1, G2, G3, Figur 2, zum Zweck der Einspritzreaktion, der Reinigung, u.s.w. von Gasen an unterschiedlichen Stellen, um ein besonderes Verfahren gemäß den Anforderungen dieses Verfahrens (Ätzen, Abscheiden, u.s.w.) und dem(n) besonderen Material(ien) zu verbessern, die in diesem Verfahren verwendet werden. Erstens umfaßt die Kammer ein radiales Standardgasverteilungssystem G1 am Rand des Fußes/Bodens des Quellenbereiches 16B. In einer derzeit bevorzugten Anordnung umfaßt das Einspritzsystem G1 einen Quarzring zur Gasverteilung 51 am Boden der Quelle und einen Ringverteiler 52 am Rand, der einen Verteilungskanal festlegt, der Gas in den Ring speist. Der Ring weist nach innen gerichtete radiale Löcher 53-53 und vorzugsweise stufengesinterte keramische poröse Gasdiffusionsstöpsel 54-54 auf, die in die Löcher eingefügt sind, um Hohlkathodenentladung zu verhindern.
Die zweite Gaseinspritzanordnung G2 umfaßt eine geerdete oder nicht geerdete oder vorgespannte Platte 17T an der Kuppeldecke aus einem Material wie eloxiertes Aluminium mit einem zentralen Loch 56 zum Gaseinlaß, das mit einer porösen Keramikdiffusionsscheibe 57 gefüllt ist.
Die dritte Gaseinspritzquelle G3 umfaßt einen ringförmigen Verteiler 58 zum Gaseinlaß am Rand des Substrates 5 (oder einen Gaseinlaß, der in den Klemmring eingebaut ist (nicht gezeigt), der zum Halten des Substrates in einer Stellung gegen den Fuß der Substrathalterung verwendet wird).
Beim Ätzen von Öffnungen durch die Oxid enthaltenden Schichten, wie Siliziumdioxid über einer nicht Sauerstoff enthaltenden Oberfläche, Einzelkristalle oder Polysilizium umfassend, wird das Siliziumdioxid wünschenswerterweise bei einer sehr viel schnelleren Geschwindigkeit geätzt als das Polysilizium oder andere Substrate. Fluorid enthaltende Ätzgase werden als Ätzmittel verwendet. Da jedoch die Fluoridätzgase Materialien wie zum Beispiel Siliziumdioxid und Polysilizium üblicherweise mit gleicher Geschwindigkeit ätzen, hat das Ätzen für Oxid geringere Selektivität als für Silizium. Während dem reaktiven Ionenätzen wird jedoch eine schützende Polymerschicht auf den Seitenwänden und auf dem Boden der wachsenden Öffnung gebildet; solch ein Polymer wird aus Kohlenstoff und Fluor gebildet und enthält normalerweise etwa 30% Kohlenstoff und etwa 60% Fluor.
Dieses Polymer ist jedoch in Anwesenheit von Fluoratomen dissoziiert. Was wünschenswert wäre, ist die Bildung eines kohlenstoffreichen Polymers mit mehr als etwa 50% Kohlenstoff und weniger als etwa 40% Fluor; wir haben entdeckt, daß, wenn ein Fluoridionenadsorberharz in den Reaktor gestellt wird, weniger freie Fluoridionen im Plasma vorhanden sind und weniger C-F Bindungen im Polymerfilm gebildet werden. Einiger Erfolg wurde in Reaktoren nach dem Stand der Technik durch Zugabe eines Fluoridionenadsorberharzes wie Silan oder Organosilane zum Plasma selber erzielt, um freies Silizium im Plasma zu liefern. Da so viele verschiedene Plasmaionen gebildet werden, ist das Verfahren jedoch im wesentlichen "schmutzig", die Ätzmittel und Polymere sind unterschiedlicher Natur und nicht einheitlich, und so ist das Verfahren nicht vollständig reproduzierbar. So ist das vorliegende Gerät, das eine "saubere" Siliziumquelle zum Einfangen freier Fluoridionen liefert, vorteilhaft.
In Übereinstimmung mit der Erfindung ist solch ein Fluoridionenadsorberharz ein Reaktionsmittel für Fluorid, das vorzugsweise eine Quelle an Silizium neben oder im Plasma ist. Das Fluoridadsorberharz kann reines Silizium wie ein Einzelkristallsilizium, Polysilizium oder eine Verbindung wie Siliziumcarbid und ähnliches sein, oder die dritte Elektrode kann vorzugsweise aus Silizium oder einem Silizium enthaltenden Material sein. Graphit kann ebenso zum Einfangen von Fluoridionen verwendet werden; die dritte Elektrode kann zum Beispiel aus Graphit bestehen.
Während dem Plasmaätzen in der vorliegenden Kammer ätzt der im Siliziumoxid vorhandene Sauerstoffleicht das Polymer, das auf den Seitenwänden und auf dem Boden des wachsenden Grabens gebildet wird. Wenn die Grabentiefe das Polysilizium oder ein anderes nicht Sauerstoff enthaltendes Substrat erreicht, ist jedoch kein Sauerstoff vorhanden, und das Polymer bleibt auf der Polysiliziumoberfläche und schützt es vor weiterem Ätzen.
Die hier bevorzugten Ätzmittel sind Fluorkohlenwasserstoffe wie CF&sub4;, C&sub2;F&sub6; und C&sub3;F&sub8;, die nur Kohlenstoffionen und Fluoridionen erzeugen. Andere bekannte Fluoridätzmittel wie CHF&sub3; werden weniger bevorzugt, weil sie zusätzlich zu den Kohlenstoff- und Fluoridionen ebenso Wasserstoffionen erzeugen.
So kann in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zwischen einer Sauerstoff enthaltenden Schicht und einem nicht Sauerstoff enthaltenden Substrat oder einer darunterliegenden Schicht eine beinahe unbegrenzt hohe Selektivität erreicht werden, weil sich kohlenstoffreiche Polymerfilme in Abwesenheit von Sauerstoff nicht auf der Siliziumoberfläche oder auf nicht Sauerstoff enthaltenden Substraten oder Schichten abscheiden. Diese Polymere sind empfindlich für Sauerstoff, und wenn kein Sauerstoff vorhanden ist, wie wenn das Ätzmittel ein nicht Sauerstoff enthaltendes Substrat erreicht hat, findet eine verringerte Abscheidung des Polymeres statt, und wenn es an ein Plasma mit einer verringerten Anzahl an Fluorionen gekoppelt ist, wird eine verhältnismäßig inerte polymere passivierende Schicht gebildet, die die darunterliegende Schicht schützt.
Die Siliziumquelle wird vorzugsweise nahe dort aufgestellt, wo das Plasma erzeugt wird, so daß das Silizium die Fluoridionen während der Bildung einfangen kann, und weniger Fluoridionen werden mit der zu behandelnden Oberfläche reagieren. Zum Beispiel kann ein Siliziumgitter in der Gegend des Plasmas aufgehängt werden, oder das Silizium kann nahe den Wänden oder der Decke des Reaktors als Teil der RF-Quelle aufgestellt werden. Eine Siliziumquelle kann auch nahe der Oberfläche des Substrates aufgehängt werden, aber es können sich Polymere mit höherem Fluoridgehalt ergeben.
Die Siliziumquelle kann auch außerhalb des Plasmengebiets des Reaktors aufgestellt werden, in diesem Fall kann es auf eine Temperatur von zum Beispiel mindestens etwa 150ºC oder mehr erhitzt werden, bei der Siliziumionen gebildet werden, um Fluoridionen einzufangen. In diesem Fall wird in der Reaktionskammer ebenso ein Mittel zur Temperaturregelung der Siliziumquelle vorgesehen sein müssen.
Wie oben angedeutet, können verschiedene Arten von Gasen, gewählt aus den Ätz- und Ablagerungsarten, Arten zur Passivierung, verdünnenden Gasen, u.s.w. über eine oder mehrere der Quellen G1 bis G3 zur Kammer zugeführt werden, um den Anforderungen der einzelnen Ätz- und Ablagerungsverfahren und Materialien zu genügen. Die vorliegende induktive Quellenantenne 30 liefert zum Beispiel ein Plasma sehr hoher Dichte und ist sehr wirksam bei der Dissoziation der Gase im Kuppelquellenbereich 16A der Kammer. In der Folge kann die hoch dissozuerte Art das Innere der Kuppel auf Kosten der Beschichtung des Polysiliziums beschichten, wenn über G1 oder G2 eine Polymer bildende Art in die Kuppel zugeleitet wird, und/oder kann so vollständig dissoziiert sein, daß sie nicht an die Polysiliziumoberfläche anhaftet, die zum Schutz beschichtet werden soll. Eine Lösung ist es, Ätzarten wie C&sub2;F&sub6; oder CF&sub4; über G1 oder G2 oder über G1 und G3 in den Quellenbereich 16A einzulassen, und Silizium für das Einfangen von Fluoridionen bereitzustellen, um auf dem Substrat vorzugsweise ein kohlenstoffreiches Polymer zu bilden.
Wegen der hohen Dissoziation der Gase im Quellenbereich erzeugen Fluor enthaltende Gase (sogar solche, bei denen Fluor mit Kohlenstoff lahmgelegt wird) typischerweise freie Fluoridionen, die Silizium und Siliziumoxid gleich ätzen und so die Ätzselektivität für Oxid vermindern. Wenn eine hohe Selektivität erforderlich ist, kann zusätzlich zur Bereitstellung einer Siliziumquelle im Plasma ein Silizium enthaltendes Zusatzgas eingespritzt werden, um die freien Fluoridionen weiter einzufangen und das Ätzen von nicht Sauerstoff enthaltenden Substraten zu verringern. Das Ätzgas und das Silizium enthaltende Zusatzgas können über G1 und G2 getrennt eingeleitet werden oder als Mischungen über G1 und/oder G2 eingeleitet werden. Geeignete Fluor verbrauchende, Silizium enthaltende Zusatzgase umfassen Silan (SiH&sub4;), TEOS, Diethylsilan und Siliziumtetrafluorid (SiF&sub4;).
Die Fluor verbrauchende Siliziumquelle und die Polymer bildenden Zusatzgase können im gleichen Verfahren zusammen verwendet werden, um gemeinsam die Ätzselektivität zu verbessern.

3. DIFFERENTIELLES PUMPEN

Figur 3 stellt eine andere Vakuumpumpanordnung dar. Zusätzlich zum Vakuumpumpsystem 21, das mit oder nahe dem Boden der Kammer verbunden ist, wird eine Vakuumpumpe 39 über die Verbindung 38 mit der Quellenregion 16A in der Kuppel 17 verbunden. Die Fließgeschwindigkeiten der Pumpsysteme 39 und 21 werden so gewählt, daß sie senkrecht über den Quellenbereich 16B ein Druckgefälle ΔPP erzeugen, das 1. dem Transport von ungeladenen Teilchen von der Quelle 16A zum Substrat 5 entgegenwirkt, aber 2. keine geringere Größe aufweist, als die Kraft FDC, die von der Grundspannung auf die geladenen Teilchen wie Elektronen und Ionen ausgeübt wird. Als Folge von ΔPP erreichen ungeladene Teilchen wie Radikale das Substrat 5 nicht, sondern fließen vorwiegend aus der oberen Vakuumverbindung 38 ab. Als Folge von FDC > ΔPP fließen geladene Elektronen und Ionen vorwiegend in den Verarbeitungsbereich. Diese Methode ist offensichtlich nützlich, wenn gewünscht wird, ungeladene Teilchen, aber nicht Ionen selektiv aus dem Bereich der Substratverarbeitung zu halten. Diese Situation entsteht zum Beispiel 1. während dem Ätzen unter Verwendung von Polymer bildender Gaschemie, aber es werden Polymere im Quellenbereich gebildet, die an den Seitenwänden der Kammer anhaften und/oder nicht gut an der gewünschten Substratoberfläche anhaften, und/oder 2., wenn Fluorradikale im Quellenbereich gebildet werden.

4. RF-LEISTUNG ANTENNE UND GRUNDQUELLEN

1) Obere oder Antennenquelle

Bezug nehmend auf Figur 1 wird die Arbeitsfrequenz der RF- Leistungsversorgung 31 für die obere Quelle 16A vorzugsweise zur Bereitstellung eines dichten Plasmas für die Minimierung des Schadens für empfindliche Vorrichtungen und zur Bereitstellung einer wirksamen induktiven Kopplung der RF-Leistung auf das Plasma gewählt. Insbesondere wird die Frequenz des Arbeitsbereiches nach oben begrenzt, um "Strom-induzierten" Schaden zu minimieren. Die untere Grenze der Betriebsfrequenz wird nach der Wirksamkeit der RF-Leistungskopplung mit dem Plasma gewählt. Vorschläge für die Grenzen sind oben angegeben.

2) Untere oder Grundquelle

Die Wechselstromversorgung 42 für die Substrat tragende Kathode 32C koppelt die RF-Leistung kapazitiv an das Plasma, wodurch eine Kontrolle verschiedener Faktoren bewirkt wird, Kathodenhüllspannung und Ionenenergie umfassend, die unabhängig von der Kontrolle der Plasmendichte überprüft werden, die durch eine Hochfrequenzleistung bewirkt wird. Die Grundfrequenz wird gewählt, um eine Anzahl von Zielen zu erreichen. Zuerst wird die obere Frequenzgrenze zur Verhinderung Strom-induzierter Aufladeschäden auf empfindliche Vorrichtungen gewählt. Eine niedrigere Frequenz wird teilweise gewählt, um Spannungs-induzierten Schaden auszuschließen. Eine geringere Grundfrequenz erzielt ebenso höhere Substrathüllspannungen pro Einheit Grundspannung (geringeres Erhitzen) der Substrate und trägt weniger zur Plasmendichte bei und bietet so eine bessere unabhängige Kontrolle der Ionendichte und Energie. Eine zu geringe Grundfrequenz ermöglicht es jedoch den Ionen, der RF-Komponente des das Substrat umhüllenden elektrischen Feldes zu folgen, wodurch die Ionenenergien reguliert werden. Das Ergebnis wäre ein höheres Verhältnis zwischen der Spitzenenergie und der mittleren Energie und eine breitere (Peak zu Peak) Ionenenergieverteilung. Sehr geringe Grundfrequenzen verursachen ein Aufladen der Isolierung, wodurch Ionen-induzierte Verfahren während dem Teil der Grundfrequenzkontrolle gehemmt werden.
Wir haben entdeckt, daß, wie hier oben bemerkt wurde, den Überlegungen oben bequem durch Verwendung von Grundfrequenzbereichen nachgekommen werden kann, die den Quellenfrequenzbereichen entsprechen, wie sie hier oben bekannt gemacht wurden.

3) Gemeinsamer Betrieb der Antennen- und Grundquellen

Ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung ist es, den unteren Teil der Grundleistung zu ändern, der durch die Wechselstromversorgung 42 geliefert wird, um eine konstante Kathodenhüllspannung aufrechtzuerhalten. Bei geringen Drücken (< 66,5 Pa (< 500 mTorr)) ist die Gleichstromgrundspannung, die am Kathodenträger 32C gemessen wird, in einem stark asymmetrischen System eine gute Annäherung an die Kathodenhüllspannung. Die untere Leistung kann automatisch geändert werden, um eine konstante Gleichstromgrundspannung aufrecht zu erhalten. Die untere oder Grundleistung weist eine sehr geringe Wirkung auf die Plasmendichte und die Ionenstromdichte auf. Die obere oder Antennenleistung weist eine sehr starke Wirkung auf die Plasmendichte und die Stromdichte auf, aber eine sehr geringe Wirkung auf die Kathodenhüllspannung. Es ist daher wünschenswert, die obere Leistung zu verwenden, um Plasmen- und Ionenstromdichten zu bestimmen, und die untere Leistung, um die Kathodenhüllspannung zu bestimmen.
Weil die Radiofrequenz der Quelle 31, die die Antenne 30 antreibt, trotzdem sehr viel geringer ist als die in Mikrowellen- oder Mikrowellen ECR-Anwendungen verwendeten Frequenzen, können wahlweise kleinere Magnete verwendet werden, die bei geringerem Gleichstrom durch weniger teure Stromversorgungen verbunden mit geringeren Hitzelasten betrieben werden. Wie aus der obigen Diskussion ersichtlich ist, kann statt der Wellenleiter zusätzlich ein Koaxialkabel wie 31C verwendet werden. Zusätzlich fehlen hier die Plasmenungleichmäßigkeiten, die durch die E x B Elektronenabwanderung zu anderen magnetverstärkten oder unterstützten Systemen verursacht werden, weil die angewendeten Magnetfelder (sowohl die magnetische Komponente des RF-Feldes, das über die Antenne 30 angelegt wird, als auch jedes statische Magnetfeld, das durch die Magnete 81 angelegt wird) an der Kathode im wesentlichen parallel zum elektrischen Feld sind. So gibt es keine E x B Abwanderung im System.
Ein magnetischer Nebenanschluß, der aus einem Material hoher Durchlässigkeit gebildet ist, kann verwendet werden, um ein B Feld in der Quelle (obere Kammer 16A) aber nicht am Substrat zu erlauben.
Es können wahlweise Permanent- oder Elektromagneten in einer vielpoligen Anordnung typischerweise in abwechselnder Anordnung der Pole Nord-Süd-Nord-Süd.. Nord-Süd um die untere Kammer 168 gestellt werden, um einen viel-spitzigen Magnetspiegel an der Quelle und/oder an den Kammerwänden zu erzeugen. Die Magnete können senkrechte Stabmagnete oder vorzugsweise waagrechte Ringmagnete sein. Solche Magnete können verwendet werden, um Elektronenverluste an die Wände zu vermindern, so die Plasmendichte und Gleichmäßigkeit zu verbessern, ohne das Substrat den Magnetfeldern zu unterwerfen.

4) Verbindung und Synchronität der RF-Quellen

Wie oben angegeben, fallen sowohl die bevorzugte Betriebsfrequenz der oberen oder Antennen RF-Quelle als auch die bevorzugte Betriebsfrequenz der unteren oder Grund-RF- Quelle günstigerweise in denselben Bereich. Eine mögliche Annäherung der Anordnung ist es, diese beiden RF-Quellen zu einer einzigen Quelle zu verbinden, anstatt zwei getrennte Quellen zu verwenden. Allgemeiner bestehen die Möglichkeiten, alle drei RF-Signale (die RF-Grundspannung zur dritten oder oberen Elektrode umfassend) aus einer einzigen Quelle zu liefern oder eine Quelle für die Antenne und die untere Grundspannung und eine zweite Quelle für die dritte Elektrode zu verwenden, oder drei verschiedene RF-Quellen zu verwenden.

5. ANTENNENABSTIMMUNG UND LASTABGLEICH

1) Abstimmung

Typischerweise wird die Antenne 30 durch 1. Verändern der Frequenz des Generators 31 auf Resonanz gestimmt, bis sie mit der Antenne in Resonanz tritt; oder 2. durch ein getrenntes mitschwingendes Element, das mit der Antenne zur Abstimmung auf Resonanz verbunden ist. Dieses Abstimmelement kann zum Beispiel eine veränderliche Induktion-zu- Erdung oder eine veränderliche Kapazität-zu-Erdung sein.
Es ist wünschenswert, das System auf der höchsten wünschenswerten Resonanzfrequenz zu errichten, um den Abfall der Resonanzfrequenz anzupassen, wenn Kapazitäts- oder Induktionsabstimmvariable verwendet werden.
Automatische Abstimmung wird bevorzugt und kann durch Verwendung eines Impedanz-Phasen/Größen-Detektors zum Antrieb der Abstimm-/Lastabgleichvariablen durchgeführt werden. Siehe Figur 16 und Abschnitt 9. Im anderen Fall kann eine reflektierte Antriebsbrücke oder VSWR Brücke verwendet werden, um sowohl die Abstimm- als auch die Lastabgleichvariablen anzutreiben, aber schrittweise Annäherung ist erforderlich.

2) Lastabgleich

Konduktive, kapazitive oder induktive Belastung bedeutet, daß L zur Anpassung der Quellenantenne 30 an die Impedanz des RF-Generators 31 und dem verbindenden Koaxialkabel 31C verwendet werden kann. Zum Beispiel kann ein Abgriff oder Kontaktarm nahe oder bei der Stelle entlang der Antenne mit 50 Ohm oder 500 Ohm oder einer anderen Ausgangsimpedanz des Generators galvanisch leitend mit der Antenne verbunden werden. Im anderen Fall kann eine veränderliche Induktion oder eine veränderliche Kapazität mit der Ausgangsimpedanz des Generators an der Stelle 50 der Antenne verbunden werden.

3) Abstimm- und Belastungskreise

Bezug nehmend auf Figuren 4 bis 9 bedeutet eine Abstimmung vorzugsweise, daß T, das in die Quellenantenne 30 eingebaut ist, zur Abstimmung der Quelle auf die Resonanz bereitgestellt ist. Ebenso bedeutet L, daß eine eingebaute Last zur Anpassung der Eingangsimpedanz der Quellenantenne 30 an die Ausgangsimpedanz des zugehörigen Stromgenerators 31 (oder Übertragungsleitung 31C) bereitgestellt wird. Bezug nehmend auf Figur 4 kann das Abstimmmittel T in einer Hinsicht eine veränderliche Kapazität sein, die zwischen einem Ende der Antenne 30 und der RF-Erdung elektrisch verbunden ist.
Wie in Figur 5 gezeigt wird, kann das Lastmittel L in anderer Hinsicht eine variable Kapazität sein, die zwischen einem Ende der Antenne und der RF-Erdung verbunden ist. Das Lastmittel kann ebenso ein Abgriff 60 an veränderlicher Stelle sein, der einen RF-Eingangsstrom an die Antenne anlegt. Siehe Figur 6.
In einer bevorzugten Verbindung, in Figur 7 gezeigt, ist das Abstimmmittel T eine variable Kapazität, die zwischen einem Ende der Antenne 30 und der RF-Erdung elektrisch verbunden ist, und das Lastmittel L ist eine weitere Kapazität, die zwischen dem anderen Ende der Antenne und der RF-Erdung elektrisch verbunden ist. In dieser Anordnung kann der RF-Eingangsstrom an die Antenne 30 über einen Abgriff angelegt werden, das heißt, durch einen Abgriff 60, der entlang der Antenne 30 oder an jedem ihrer Enden angelegt wird. Siehe Figur 8. Im anderen Fall kann sich die Verbindung 66 des RF-Eingangsstroms im wesentlichen an der Verbindung zwischen der Last L der variablen Kapazität und dem Ende der Antenne 30 befinden, wie in Figur 9 gezeigt wird.

6. VERFAHRENSREGELUNG DURCH QUELLEN/GRUNDSPANNUNG

Die Erfindung umfaßt ebenso die Entdeckung, daß durch Verwendung einer genügend hohen Grundspannung die Ätzgeschwindigkeit bei Materialien wie Siliziumdioxid erhöht wird und die Ätzselektivität von Siliziumdioxid bezüglich von Materialien wie Silizium erhöht wird, um eine hohe Siliziumdioxidätzgeschwindigkeit zu liefern und die Grundspannung periodisch auf einen geringen Wert zu pulsen.

1) Gepulste/abgestimmte Ätzgeschwindigkeit und Selektivität durch Erhöhung der Grundspannung

Bezug nehmend auf Figur 10 wachsen die Ätzgeschwindigkeiten von Materialien wie Siliziumdioxid SiO&sub2; typischerweise mit der Grundspannung. So erhöht die wachsende Grundspannung die Ätzgeschwindigkeit des Oxids. Unglücklicherweise wachsen jedoch die Ätzgeschwindigkeiten von zu der integrierten Schaltkreisstruktur zugehörigen Materialien wie Silizium/Polysilizium ebenso mit der Grundspannung. Die Verwendung einer Grundspannung genügender Größe zur Lieferung einer sehr hoher Ätzgeschwindigkeit für Siliziumdioxid bewirkt auch eine Ätzgeschwindigkeit für Silizium, die (obwohl sie etwas geringer als die Ätzgeschwindigkeit für das Oxid sein kann) unerwünscht hoch ist und die Selektivität vermindert. Ziemlich offensichtlich ist es beim Ätzen von Siliziumdioxid höchst wünschenswert, die für hohe Gleichstromgrundspannungen Vh charakteristische hohe Ätzgeschwindigkeit für Oxide zusammen mit der für geringe Gleichstromgrundspannungen V, charakteristischen relativ geringen Ätzgeschwindigkeit für Silizium und so hohe Selektivität für Oxid zu erreichen.
Bezüglich der Wellenform 70 in Figur 11 der Gleichstromgrundspannung werden die anscheinend entgegengesetzten Ziele der im vörigen Absatz bezeichneten Verbindung der Vh und Vl Merkmale bei Polymer bildenden Ätzverfahren (solche Verfahren, die auf Materialien wie Silizium ein das Ätzen unterdrückendes Polymer bilden) durch Verwendung einer Gleichstromvorspannung Vh mit hoher Grundlinie und mit wiederholtem Pulsen oder Abstimmen der Spannung auf einen geringen Wert Vl tatsächlich ausgeführt. Vl liegt an oder unter der Kreuzungsstelle/Spannung 68, Figur 10, zwischen dem Siliziumätzen und der Siliziumablagerung aber noch über dem Kreuzungspunkt/Spannung für Sauerstoff. Als Folge davon wird ein schützendes Polymer auf dem Silizium abgelagert, um dessen Ätzen während des Zurückkehrens zur Spannung Vh der hohen Ätzgeschwindigkeit zu unterdrücken, aber es kommt keine oder ungenügende Ablagerung auf dem Oxid vor, um das Ätzen des Oxids bei Vh deutlich zu unterdrücken.
Vl ist vorzugsweise gekennzeichnet durch Ablagerung auf Polysilizium, aber zumindestens geringem Ätzen des Oxids. In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführung sind die Werte der Parameter Vh (hohe Gleichstromgrundspannung), Vl (geringe Gleichstromgrundspannung), PW (Pulsweite der geringen Spannung Vl) und Prp (Geschwindigkeit der Pulswiederholung oder vereinte Pulsweiten der niedrigen und der hohen Spannung) -400 V, -225 V, etwa 0,1 Sekunde und etwa 1 Sekunde.

2) Zwei requenzengrundspannung

Eine andere Annäherung wird durch die Wellenform 71 der Gleichstromvorspannung in Figur 12 dargestellt. Eine relativ geringe Frequenzspannungsänderung wird über die Grundvorspannungsfrequenz gelagert. Eine langsame Frequenz T&sub2; ≤ 25 KHz (vorzugsweise 5-10 KHz) kann zum Beispiel der Grundradiofrequenz T&sub1; ≤ 2 MHz überlagert werden oder mit ihr gemischt werden. Siliziumoxid ist ein Isolator; Silizium/Polysilizium weist typischerweise nur eine sehr dünne ursprüngliche Oxidschicht auf. Die Vorspannungsänderungen eines Gleichstroms geringer Frequenz T&sub2; werden so an der Oxidoberfläche nicht gesehen, weil sie sich auflädt. Das im wesentlichen nicht isolierte Polysilizium reagiert jedoch auf die geringe Frequenz T&sub2; auf ähnliche Art wie die vorher beschriebene durch Ausbildung einer Schutzschicht während der geringen Spannungsabweichung 72 (Vl) des Zyklus der geringen Frequenz T&sub2;. Diese unter geringer Frequenz gebildete Schicht hemmt das Ätzen während der veränderlichen Hochspannungsabweichungen 73 der Zyklen der hohen Frequenz T&sub1;. Wie erwähnt, verhindert die Isolationsbeschaffenheit des Siliziumdioxids, daß während der geringen Spannungsabweichungen T&sub2; das Ätzen unterdrückende Ablagerungen darauf, und das Ätzen des Oxids wird während der Hochspannungsteile des T&sub1; Zyklus unvermindert fortgesetzt.
Kurz gesagt wird während der geringen Spannungsabweichungen 72 des niedrigen Frequenzzyklusses T&sub2; auf Silizium eine Schutzschicht gebildet, die während den hohen Spannungsabweichungen 73 des Hochfrequenzzyklusses T&sub1;, der ohne die Unterdrückung durch die Ablagerung das Oxid schnell ätzt, das Siliziumätzen unterdrückt. Das Ergebnis ist, ähnlich zu dem der oben beschriebenen gepulsten/abgestimmten Annäherung, eine hohe Ätzgeschwindigkeit für Siliziumoxid, eine relativ geringe allgemeine Ätzgeschwindigkeit für Polysilizium und eine hohe Ätzselektivität für Oxid. Vermerken Sie bitte, daß die gepulste/abgestimmte Annäherung derzeit der Annäherung über die Zweifrequenzengrundspannung wegen der genau kontrollierten Beschaffenheit der ersteren Annäherung bevorzugt wird.

7. FARADAYSCHER KÄFIG

Bezug nehmend auf Figuren 1 und 15 schließt die Kammer wahlweise einen Faradayschen Käfig 45 mit ein, um das stationäre elektrostatische Feld zu vermindern. In einer in Figur 15A gezeigten Ausführung umfaßt die Struktur, die wirden "einzelnen" Faradayschen Käfig 455 nennen, eine zylindrische Ordnung von geerdeten sich axial erstreckenden Pfosten oder Stäben, u.s.w., mit Zwischenraum, die die Kuppelwände 17D und die Antenne 30 umgeben. Der einzelne Käfig kann von Anordnungen mit großen Zwischenräumen zu solchen mit sehr kleinen Lücken zwischen den Käfigabschnitten wechseln.
Figur 15 B stellt einen sogenannten "vollen" Faradayschen Käfig 45F dar, der ein Paar konzentrischer -Käfige mit solchen Zwischenräumen umfaßt, daß die Stäbe des einen die Lücken des anderen und umgekehrt überlappen. Das schließt Visierlinien für die elektrischen Feldlinien aus und schiebt dadurch das elektrostatische Feld beiseite.
Obwohl mehrere Anordnungen der Faradayschen Käfige 45S und 45F möglich sind, ist die derzeit bevorzugte Anordnung die nach außen geflanschte, elektrisch leitende, zylindrische Anordnung mit offenem Ende, die im senkrechten Querschnitt der Figur 1 dargestellt wird. Die Oberflächen 46, 47, 48 mit Öffnungen in der einzelnen oder doppelten Wand erstrekken sich um die oberen, inneren (Quelle) und unteren Seiten der Antenne 30, während sich eine geerdete Seite 49 (die fest sein kann) an der Außenseite der Antenne 30 befindet. Diese Anordnung ermöglicht der axial gerichteten magnetischen Komponente der em Welle der Antenne 30, elektrische Felder mit geschlossener Schleife in und parallel zur Ebene der Antenne 30 zu induzieren, was das Plasma erzeugt. Der Käfig 45 verschiebt jedoch die direkte elektrische Feldkomponente zur Erdung und verhindert, daß die direkte elektrische Feldkomponente der hoch frequenten elektromagnetischen Energie mit dem Plasma koppelt. Ohne den Käfig 45 würde die wechselnde Spannung entlang der Antenne 30 an das Plasma in Übereinstimmung mit den Maxwell'schen Gleichungen zur Kopplung des kapazitiven Verschiebungsstromes koppeln. Das kann Ungleichmäßigkeiten und Gradienten in der Plasmendichte und in der Energie über das Substrat 5 induzieren und Verfahrensungleichmäßigkeiten und mit hoher Energie geladene Teilchen ergeben.
Kurz gesagt minimiert ein Faradayscher Käfig, der diskontinuierlich ist oder mit Schlitzen oder Abschnitten versehen ist, die Kurzschlußwirkung des Käfigs auf das wechselnde em Feld der Spule, vermindert Wirbelstromverluste und ermöglicht das Koppeln der Radiofrequenz, indem er axial gerichtet das Magnetfeld am Plasma umsäumt, um elektrische Felder mit geschlossener Schleife zur Erzeugung des Plasmas zu induzieren, aber er schließt direktes Koppeln des elektrischen Feldes (das entlang der Antenne wechselt) mit dem Plasma aus und schließt dadurch jeden damit verbundenen Verlust der Plasmengleichmäßigkeit und der Verfahrensgleichmäßigkeit für mit hoher Energie geladene Teilchen aus.

8. BEGRENZUNG UND VERSTÄRKUNG DES MAGNETFELDES

1) Begrenzung

Um Verluste (herabgesetzte Plasmendichte) an den Wänden 17W der Zylinder-/Kuppelquelle zu vermindern, ist eine magnetische Anordnung vorgesehen, die ein peripheres, ringförmiges (flaches) Feld erzeugt. In einer in der waagrechten Schnittdarstellung der Figur 13 gezeigten bevorzugten Anordnung ist dieses Feld mit einem "Kübel" mit geringen Abständen oder einer zylindrischen vielpoligen Ordnung von axial gerichteten Permanentmagneten oder Elektromagneten 76-76 versehen, von denen jeder über seine kurzen Abmessungen zur Bildung eines geschlossenen peripheren -N-S-N-S- Magnetfeldes B mit wechselnden Polen magnetisiert ist. Die vielpolige Ordnung erzeugt an der Kuppelwand einen Magnetspiegel 77 mit vielen Spitzen. Andernfalls können die Magneten in einem waagrechten Ring angeordnet sein. Solche Magneten vermindern die Elektronenverluste an die Wände 17W und verbessern so die Plasmendichte und -Gleichförmigkeit, ohne das Substrat den Magnetfeldern zu unterwerfen.
Bezug nehmend auf Figur 3 kann in einer weiteren Hinsicht das Plasma des Bereiches 16B der Substratverarbeitung vom Plasma des Erzeugungs- oder Quellenbereiches 16A durch Aufstellen eines im allgemeinen ebenen Netzes an Magneten am unteren/oberen Quellenbereich des Verarbeitungsbereiches entkoppelt werden. Das Magnetnetz umfaßt im allgemeinen parallele Magnetstäbe 78-78 mit geringen Abständen, die wie die oben beschriebene Kübelanordnung über ihre kurzen Abmessungen NS magnetisiert sind, um ein Magnetfeld mit ebenen Anordnungen -NS-NS-NS- zu liefern, bei dem die Feldlinien an einem Stab beginnen und am nächsten enden. Das sich ergebende im allgemeinen ebene Magnetfilter 79 über der Öffnung 15 der Quelle beschränkt das Magnetfeld auf die Fläche/auf den Bereich der Platte und dringt weder in den Quellenbereich noch in den Substratbereich ein.
Wegen der Beziehung F = qV x B werden Elektronen mit hoher Energie/hoher Geschwindigkeit in der Quelle von diesem Magnetfilter 79 in größerem Ausmaß als Ionen zurückgebeugt oder abgestoßen, und sie können nicht in den Bereich der Substratverarbeitung eindringen. Das vermindert die Dichte der Elektronen mit hoher Energie im Verarbeitungsbereich 16B und vermindert die Plasmendichte in diesem Bereich. Die Verarbeitungs- und Quellenbereiche werden entkoppelt.

2) Verstärkung

Wie oben erwähnt, können ein oder mehrere (vorzugsweise mindestens zwei) Permanent- oder Elektromagneten 81-81, Figur 3, verwendet werden, um ein statisches im allgemeinen axiales Magnetfeld, rechtwinkelig auf und durch beide, die waagrechte Fläche der Antennenwindungen und die elektrischen Felder zu bestimmen, die durch die Antenne induziert werden, die bei Radiofrequenz RF strahlt. Wie oben beschrieben, wird vorzugsweise eine der drei Feldarten verwendet: gleichförmiges, divergentes oder Magnetspiegel.
Bezug nehmend auf Figur 14A beschränkt ein homogenes axial gleichförmiges Magnetfeld 82, das durch die Magneten 81-81 rechtwinkelig auf das Substrat 5 angewendet wird, die Bewegung der Elektronen zu den Wänden. Wegen der Unfähigkeit der Ionen, den Änderungen hoher Frequenzfelder zu folgen, folgen die Ionen dem Elektronenmangel und werden im Plasma über dem Substrat konzentriert. Für die größte Wirkung können dieses und andere statische Magnetfelder mit einem elektromagnetischen Feld hoher Frequenz auf Resonanz gestimmt werden: omega = 2πf = Be/m, wobei B die magnetische Flußdichte und e und m die Elektronenladung und -masse sind.
Ein axial divergentes Feld 83 wird schematisch in Figur 14B dargestellt. Durch Bewahrung des Magnetfeldes wandelt der axiale Gradient des Magnetfeldes zirkulare Translationsenergie in axiale Translationsenergie um und neigt dazu, die Elektronen und Ionen von stärkeren Feldbereichen zu schwächeren Bereichen zu treiben. Divergierende Magnetfelder können verwendet werden, um die Elektronen und Ionen von den Plasma erzeugenden Bereichen wegzustoßen und das Plasma am Substrat zu konzentrieren.
Bezug nehmend auf Figuren 14C und 14D wird ein gewölbtes oder Hilfsmagnetfeld 84 (Figur 14C) und ein spitzförmiges oder Gegenmagnetfeld 85 (Figur 14D) gezeigt. Die Wirkung jedes dieser sogenannten "Magnetspiegel-"felder ist dem des axial divergenten Feldes ähnlich: geladene Teilchen werden aus dem relativ starken Feldbereichen (an den Enden) zum relativ schwachen Mittelbereich getrieben.
Selektives Aufstellen (des) der Magnete(n) und Aussuchen und Verändern der Feldstärken, die durch den einzelnen Magneten oder die zusammenarbeitenden Magneten geliefert werden, formt das zugehörige einheitliche, divergierende oder magnetische Spiegelfeld, um die Plasmendichte am Substrat auf kontrollierte Weise zu erhöhen. Für Magnetspiegelfelder liegt die bevorzugte Substratstellung für eine größte Verbesserung der Plasmendichte knapp neben oder an der Wölbung oder Spitze, um eine größte Verbesserung der Plasmendichte zu liefern.

9. REGELSYSTEM

Die folgenden Beschreibungen werden hier bezüglich des in Figur 16 dargestellten Regelsystems verwendet:
Psp: Stromsollwert
Pf: Durchlaßstrom gemessen von einem Richtkoppler, der sich an/in der Stromversorgung befindet
Pr: reflektierter Strom
Z : Größe der Impedanz
< phi: Phase der Impedanz
Tsp: Abstimmsollwert
Lsp: Belastungssollwert
Tfb: Abstimmrückkopplung (gemessen)
Lfb: Belastungsrückkopplung (gemessen)
Figur 16 ist ein Blockdiagramm eines Mustersystems zur Regelung der verschiedenen Komponenten, die Stromversorgungen umfassend. Hier ist ein Systemregler 86 über eine Schnittstelle an die Stromversorgung 31 der Antenne, an die Impedanzbrücke 87, an die Antenne 30, an eine Grundstromversorgung 42, an eine Impedanzbrücke 88, an ein angepaßtes Netzwerk 43 und an die Kathode 32 angeschlossen. Die für die Ionenflußdichte und die Ionenenergie gewählten Verfahrensparameter Antennenleistung und Gleichstromvorspannung werden als Eingang in den Regler 86 geliefert. Der Regler 86 kann auch andere Parameter wie Gasfluß(flüsse), Druck in der Kammer, Temperatur der Elektrode oder des Wafers, Temperatur der Kammer und andere kontrollieren. Der Regler 86 kann Anfangsabstimm&sub1;- und Last&sub1;- bedingungen durch Ausgabe von Signalen an die Tsp&sub1; und Lsp&sub1; Verbindungen vorwählen, die mit der Antenne 30 verbunden sind. Der Regler 86 kann ebenso Anfangsabstimm&sub2;- und Last&sub2;- bedingungen durch Ausgabe von Signalen an die Tsp&sub2; und Lsp&sub2; Verbindungen vorwählen, die mit dem passenden Netzwerk 43 verbunden sind. Typischerweise werden diese Bedingungen zur Optimierung der Einführung des Plasmas (Gaszusammenbruch) gewählt. Die Leistung kann zuerst sowohl auf die Antenne 30 als auch auf die Kathode 32 angewendet werden oder auch gleichzeitig auf beide angewendet werden. Der Regler 86 gibt Leistungssollwerte von der Psp&sub1; Verbindung an die Leistungsversorgung 31 der Antenne und von der Psp&sub2; Verbindung an die Grundspannungsversorgung 42 gleichzeitig oder nacheinander (in jeder Abfolge) aus.
Der Spannungsdurchbruch findet im Gas unter Erzeugung eines Plasmas schnell statt. Der Regler 86 überwacht den Durchlaßstrom Pf&sub1; und den reflektierten Strom Pr&sub1; zu/von der Antenne 30 und überwacht den Durchflußstrom Pf&sub2; und den reflektierten Strom Pr&sub2; zur/von der Kathode 32. Die Gleichstromvorspannung (Gleichstromspannung von der Kathode zur Anode) wird ebenso überwacht, wie vom Regler 86 gezeigt wird. Der Regler 86 stellt die Abstimm&sub1;- und Last&sub1;- Parameter der Spule ein, indem er Sollwerte an die Verbindungen Tsp&sub1; und Lsp&sub1; ausgibt, basierend auf entweder a dem Durchflußstrom Pf&sub1; und dem reflektierten Strom Pr&sub1; oder b der Impedanzgröße Z&sub1; und der Impedanzphase < phi&sub1;. Die Brücke 87 versieht den Regler 86 mit der Information über Impedanzgröße und Phasenwinkel. Die Antenne 30 ist angepaßt, wenn der reflektierte Strom Pr&sub1; im wesentlichen Null ist und wenn die Impedanz (Größe und Phase Z&sub1; < phi&sub1;) zur Ausgangsimpedanz der Stromversorgung der Spule konjugiert komplex ist. (Die Nullbedingung des reflektierten Stroms und die konjugierte Impedanzbedingung finden gleichzeitig statt, so kann mit dem selben Ergebnis entweder der reflektierte Strom minimiert werden oder die Impedanz angepaßt werden. Im anderen Fall kann das VSWR (Stehwellenverhältnis) oder der Reflexionskoeffizient minimiert werden). Der Regler 86 stellt die Abstimm&sub2;- und Last&sub2;- Parameter der Kathode 32 und des angepaßten Netzwerkes 43 durch Ausgabe von Sollwerten an die Tsp&sub2; und Lsp&sub2; Verbindungen fein ein, basierend auf entweder a dem Durchflußstrom Pf&sub2; und dem reflektiertem Strom Pr&sub2; oder b der Impedanzgröße Z&sub2; und der Impedanzphase < phi&sub2;. Die Brücke 88 versieht den Regler 86 mit der Information über die Impedanzgröße Z&sub2; und die Phase < phi&sub2;. Die Anpassung findet ähnlich wie die Antennenanpassung statt, wenn der reflektierte Strom Pr&sub2; im wesentlichen Null ist und wenn die Impedanz (Größe und Phase Z&sub2; < phi&sub2;) zur Ausgangsimpedanz der Stromversorgung 42 der Vorspannung konjugiert komplex ist. Die Gleichstromvorspannung wird durch den Regler 86 überwacht, der den Ausgangsstrom der Grundspannungsversorgung zum Erreichen der gewünschten gemessenen Gleichstromvorspannung verändert. Der Regler 86 zieht den gemessenen Wert der Gleichstromvorspannung vom gewünschten Wert der Gleichstromvorspannung ab. Wenn die Differenz negativ ist, wird der Ausgang der Grundstromversorgung 42 erhöht. Wenn die Differenz positiv ist, wird der Ausgang der Grundstromversorgung herabgesetzt (ein höherer Ausgang der Grundstromversorgung erzeugt eine negativere Gleichstromvorspannung). Es können in Ubereinstimmung mit diesem Verfahren Proportional-, Proportional-integral- oder Proportional-integral-differentialregler oder andere Regler verwendet werden.
Im anderen Fall kann anstatt der bevorzugten Ausführung zur Einstellung des Ausgangs der Grundstromversorgung 42 zur Erhaltung einer konstanten Gleichstromvorspannung ein konstanter Ausgang der Grundstromversorgung verwendet werden.

10. STRUKTUR DER ÜBERTRAGUNGSLEITUNG

Ein korrekter Aufbau einer Koaxial-/Übertragungsleitung erfordert sowohl eine Zufuhr über eine geringe charakteristische Impedanz, als auch eine kurze Übertragungsleitung vom angepaßten Netzwerk zum Wafer und einen Pfad zurück entlang der Übertragungsleitung. Diese Anforderung an den Aufbau wird durch die integrale Struktur 32 der in Figur 1 dargestellten Übertragungsleitung erfüllt, die die Kathode 32C, den konzentrischen Ringleiter 320 und einen nicht porösen Isolator 321 mit geringem Verlust umfaßt, der die Kathode 32C umgibt und die Kathode vom konzentrischen Ringleiter 320 isoliert und Verfahrensgase verdrängt, die sonst zusammenbrechen könnten. Es werden zum Beispiel Teflon oder Quarzmaterialien bevorzugt, weil sie eine höhere dielektrische Stärke, eine geringe dielektrische Konstante und geringen Verlust aufweisen. Die Eingangsseite dieser Struktur ist mit dem angepaßten Netz auf eine unten beschriebene Art verbunden. Die isolierte Kathode 32C und der äußere Leiter 320 liefern getrennte Stromwege zwischen dem angepaßten Netz 43 und dem Plasma. Ein umkehrbarer Stromweg geht vom angepaßten Netz entlang dem äußeren Umfang der Kathode 32C zur Plasmenhülle an der Oberfläche der Kammer (Elektrode). Der zweite umkehrbare Pfad geht vom Plasma entlang des oberen Innenabschnittes der Wände 12 der Kammer, dann entlang der leitfähigen Abschirmung 29 des Vakuumverteilers und über das Innere des äußeren Leiters 320 zum angepaßten Netzwerk. Bitte beachten Sie, daß die Abschirmung 29 des Vakuumverteilers Teil des einheitlichen radialen Gaspumpsystems und der Rückweg für den RF-Strom ist.
Die Kammer umfaßt so eine Übertragungsleitstruktur, die die Leistung vom angepaßten Netzwerk 31 an das Plasma koppelt. Diese Übertragungsleitstruktur ist 1. verglichen mit einem Viertel einer Wellenlänge bei den interessanten Frequenzen vorzugsweise sehr kurz oder im anderen Fall gleich mit einer integralen halben Wellenlänge, um unerwünschte Übertragung der Plasmenimpedanz zu verhindern; weist 2. ein charakteristisches Z&sub0; auf, das zur Unterdrückung von Verlusten wegen der Anwesenheit von stehenden Wellen an der Verbindung zwischen dem Plasma und dem angepaßten Netzwerk gewählt wird; und verwendet 3. einen äußeren Leitweg mit einer Querschnittabmessung, die im wesentlichen nicht größer ist als die des Leiters in der Mitte.

11. REGELUNG DER KAMMERTEMPERATUR

Temperaturkontrollmerkmale können in das Reaktorkammersystem 10 eingebaut sein und umfassen, sind aber nicht beschränkt auf die Verwendung eines fließenden Hitzeübertragungsmittels zur Aufrechterhaltung der internen und/oder externen Temperatur der Gaseinlaßverteiler über oder unter einem bestimmten Wert oder in einem bestimmten Bereich; Widerstandsheizen der Kathode 32C; Wärmeübertragung oder Kühlen der Kathode 32C durch Erhitzen eines Fluids; Verwendung des Gasmittels zur Wärmeübertragung zwischen dem Substrat 5 und der Kathode 32C; Verwendung eines fließenden Mittels zur Wärmeübertragung zum Heizen oder Kühlen der Kammerwände 12-14 und/oder der Kuppel 17; und mechanisches oder elektrostatisches Mittel zur Befestigung des Substrates 5 an der Kathode 32C. Solche Merkmale werden im allgemein eingesetzten US-Patent Nr. 4.872.947, herausgegeben am 10. Oktober 1989, und im allgemein eingesetzten US-Patent Nr. 4.842.683, herausgegeben am 27. Juni 1989, bekanntgegeben.
Ein im Kreislauf gepumpter Wärmetauscher 90 mit geschlossener Schleife kann zum Beispiel für den Durchfluß eines Fluids, vorzugsweise eines nicht leitenden Fluids, durch den Block und den Fuß des Substratträgers/der Kathode 32C verwendet werden, wie schematisch durch den Durchflußweg 91 angezeigt wird, um den Substratträger zu kühlen (und/oder zu heizen). Für das Ätzen von Siliziumoxid werden nicht leitende Fluidtemperaturen von zum Beispiel -40ºC verwendet. Wie oben erwähnt, wird die Wärmeübertragung zwischen dem Substrat 5 und dem Substratträger 32 durch ein inertes Gas wie Helium als Wärmeübertragungsmittel an der Grenzfläche zwischen Substrat und Träger verbessert.
Die Kammerwände und die Kuppel können durch Luftkonvektion (eingeblasene Luft) und/oder einem nicht leitenden Fluidwärmetauscher gewärmt und/oder gekühlt werden. Ein Wärmetauscher 92 in geschlossenem Kreis pumpt zum Beispiel ein nicht leitendes Fluid bei einer kontrollierten Temperatur im Bereich von Heizen bis Kühlen, zum Beispiel +120ºC bis -150ºC, entlang einem Weg 9 durch die Kammerseitenwände im Kreislauf. In gleicher Weise können die Kuppelseitenwände 17W und das Dach 17T durch die Wärmetauscher 94 und 96 geheizt und/oder gekühlt werden, die das Fluid entlang der Pfade 95 und 97 im Kreislauf pumpen.
In einem anderen nicht leitenden Hitzeregelsystem liegt die Antennenspule 30 zwischen den Doppelwänden 17W der Kuppel, im nicht leitenden Fluid eingebettet, das im Kreislauf gepumpt wird.
In einer weiteren anderen Annäherung an die Wärmeregelung der Kuppel mit nicht leitendem Fluid sind die Windungen der Antenne 30 in Plastik oder Teflon mit hoher Temperatur eingekapselt, wärmeleitende thermische Schmierung wird zwischen der eingekapselten Antenne und der Kuppel angewendet, und die Spule, die hohl ist, wird durch den Durchfluß des nicht leitenden Fluids durch die Spule erhitzt und/oder gekühlt. Weil auf die Spule auch RF-Energie angewendet wird und wegen der Nähe zur Quelle des Plasmas muß das dielektrische Öl gute dielektrische und isolierende Eigenschaften und einen hohen Siedepunkt und zusätzlich eine hohe spezifische Wärme und Dichte aufweisen, um wirksam bei brauchbaren Fließgeschwindigkeiten Wärme zu übertragen. Ein passendes nicht leitendes Fluid ist Siltherm, erhältlich bei Dupont.

12. AUSRÜSTUNG MIT DREI ELEKTRODEN

Bezug nehmend auf Figur 1 in einer derzeit bevorzugten Ausführung umfaßt die Kammer eine einzigartige Anordnung mit drei Elektroden, die eine neuartige Verfahrenskontrolle und Verbesserung bietet. Die Anordnung umfaßt eine Kathode (vorzugsweise die Substrat tragende Elektrode 32), eine Anode (vorzugsweise die Kammerseiten und die unteren Wände) und eine dritte Elektrode, die die obere Kuppelplatte 17T ist (oder einschließt). Wie in Figur 1 gezeigt, kann die obere Elektrode nicht geerdet, geerdet oder mit einer RF- Stromversorgung 40 verbunden sein. Die dritte Elektrode umfaßt vorteilshaft verschiedene Gestalten und kann aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein: leitendes Material, vorzugsweise Aluminium; dielektrisch beschichtete Materialien wie eloxiertes Aluminium; Silizium oder Silizium enthaltendes leitendes Material wie eine Aluminium- Silizium-Legierung; oder es kann einen Opfersiliziumteil 17S wie einen Siliziumwafer umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt.

1) Geerdete dritte Elektrode

Die geerdete obere Platte 17T verbessert die geerdete Referenzoberfläche für die Grundspannung (bezüglich der herkömmlichen Referenz, die von den Wänden 12 geliefert wird) und steigert in der Folge die Ionenextraktion aus der Quelle 16A in den Verarbeitungsbereich 16B und erhöht so die Verfahrensgeschwindigkeiten (wie die Ätzgeschwindigkeit). Zusätzlich verbessert die geerdete obere Platte das Koppeln des Plasmas (in der Quelle erzeugt) mit dem Wafer.

2) Dritte Elektrode unter Vorspannung

Die Verwendung einer dritten Elektrode unter RF-Vorspannung in Zusammenhang mit der Bereitstellung von freiem Silizium für das Quellenplasma (das die Verwendung einer Elektrode umfassen kann, die einen Silizium enthaltenden Teil umschließt oder damit bedeckt ist), verbessert unterschiedliche Verarbeitungsmerkmale, die Ätzgeschwindigkeit und die Selektivität umfassend. Unterstützt von den starken Dissoziationsmerkmalen des Quellenplasmas, tritt das Silizium in die Gasphase und verbindet sich mit freien Fluoridionen/fängt sie ein. (Die Dissoziationsmerkmale des Quellenplasmas ergeben hohe Konzentrationen, wenn eine Fluor enthaltende Gaschemie verwendet wird, um zum Beispiel Oxide zu ätzen Das erhöht die Ätzgeschwindigkeit des Oxids, erhöht aber auch die Ätzgeschwindigkeit der zugehörigen Substratmaterialien wie Polysilizium und vermindert so die Selektivität von Oxid zu Polysilizium.) Das Einfangen der Fluoridionen durch das freie Silizium bildet ein kohlenstoffreiches Polymer. Das Ergebnis ist eine erhöhte Ätzgeschwindigkeit für Oxid, eine erhöhte Selektivität für Oxid bezogen auf Polysilizium und eine verbesserte Anisotropie des Ätzens von Oxid und ein senkrechtes Profil und eine herabgesetzte Mikroladung. Zusätzlich beeinflußt das freie Silizium die Polymerisationsreaktion zur Ausbildung eines kohlenstoffreichen Polymers, das in Anwesenheit von Sauerstoff wie beim Ätzen einer Sauerstoff enthaltenden Schicht leicht geätzt wird, mit erhöhter Unterdrückung in Abwesenheit von Sauerstoff, wie wenn die Öffnung eine nicht Sauerstoff enthaltende Schicht oder ein Substrat wie Polysilizium erreicht, und ergibt eine erhöhte Selektivität für Oxid bezüglich dem nicht Sauerstoff enthaltenden Substrat.

13. VERARBEITUNGSBEISPIELE

Beispiele von Verfahren, die im vorliegenden Reaktor vorteilshaft durchgeführt werden können, werden unten angegeben.

Beispiel 1. Atzen von Polysilizium über einem Siliziumoxid

Polysilizium über Siliziumoxid auf Siliziumwafern wird in unserer Dreielektrodenkammer bei einem Druck im Bereich von etwa 0,266 Pa bis etwa 2,66 Pa (etwa 2 mTorr bis etwa 20 mTorr) geätzt; mit einer Fließgeschwindigkeit von 50 cc Chlor- (Cl&sub2;) Ätzgas (nur Verteiler G1); einer Leistung der Quelle von 1500 Watt; einer Grundspannung von -20 Volt; und einer geerdeten oberen Elektrode (ohne Silizium), die eine Ätzgeschwindigkeit für Polysilizium von 350 bis 400 nm pro Minute (3500-4000 Ångström pro Minute), ein senkrechtes Ätzprofil und eine Selektivität von Polysilizium zu Oxid von > 100:1 liefert.

Beispiel 2. Ätzen von Siliziumoxid über Polysilizium

Siliziumoxid über Polysilizium wurde in unserer Kammer mit drei Elektroden unter Verwendung eines Druckes von 0,266-4 Pa (2-30 mTorr) geätzt; mit Gaschemiefließgeschwindigkeiten von CHF&sub3; von 30-60 sccm; von CO oder CO&sub2; mit 6-18 sccm; und von Ar mit 100-200 sccm (nur Einlaßverteiler G1); mit einer Leistung der Quelle von 2000 Watt; einer Grundspannung von 200 Volt; einer oberen Elektrode 17T, an der eine Siliziumscheibe 17S angebracht ist und die mit einer RF-Energie von 2 MHz und 1000 Watt vorgespannt ist. Das Siliziumoxid wurde mit einer Geschwindigkeit von 800 nm pro Minute (8000 Ångström pro Minute) mit einer Selektivität von Oxid zu Polysilizium von 50:1 geätzt. Im anderen Fall kann der Silizium enthaltende Körper durch eine Siliziumbeschichtung auf den Kuppelwänden 17W aus Quarz ergänzt werden.

Beispiele 3-12. Ätzen von Sauerstoff enthaltenden Schichten über sauerstofffreien Substraten

Eine Reihe von Ätzverfahren wurde im vorliegenden Reaktor durchgeführt, wobei Sauerstoff enthaltende Schichten wie Siliziumoxid über einer Anzahl von nicht Sauerstoff enthaltenden Substraten geätzt wurden. Nachdem auf der Oxidschicht unter Verwendung herkömmlicher photolithographischer Techniken ein Muster hergestellt worden war, wurde das Ätzen im vorliegenden Reaktor unter Verwendung einer geerdeten dritten Siliziumelektrode unter Verwendung von C&sub2;F&sub6; durchgeführt. Die Ergebnisse werden unten in Tabelle I zusammengefaßt. TABELLE 1
* 0,2-300 nm (2-3000 Å)
Eine weitere Ätzreihe unter Verwendung von CF&sub4; wurde durchgeführt, außer daß die Oxid enthaltende Schicht mit einem Borophosphosilikatglas (BPSG) ersetzt wurde. Die Ergebnisse werden unten in Tabelle II zusammengefaßt. TABELLE II
Die Selektivität kann durch Veränderung der Gasflüsse, durch der Leistung der Quelle und durch die Beschaffenheit der Siliziumplatte angepaßt werden, um die Selektivität für ein bestimmtes Siliziumoxid oder Glas auf einem bestimmten Substrat zu optimieren. Selektivitäten von bis zu 100:1 sind im vorliegenden Reaktor unter Verwendung eines Fluridionenfängers aus Silizium erreichbar.

14. ANDERE MERKMALE

1) Kontrolle des Plasmas

Ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung ist es, die "untere" Leistung automatisch zur Erhaltung einer konstanten Kathoden- (Substrat-) Hüllspannung zu ändern. Bei geringen Drücken (< 66,5 Pa (< 500 mTorr)) in einem hoch asymmetrischen System ist die gemessene Gleichstromvorspannung an der Kathode eine gute Näherung an die Kathodenhüllspannung. Die untere Leistung kann automatisch zur Aufrechterhaltung einer konstanten Gleichstromvorspannung geändert werden. Die untere Leistung weist eine sehr geringe Auswirkung auf die Plasmendichte und Ionenstromdichte auf. Die obere oder Antennenleistung weist eine sehr starke Auswirkung auf die Plasmendichte und die Stromdichte auf, aber sehr geringe Auswirkung auf die Kathodenhüllspannung. Es ist daher wünschenswert, die obere Leistung zur Bestimmung der Plasmen- und Ionenstromdichten und die untere Leistung zur Bestimmung der Kathodenhüllspannung zu verwenden.

2) Differentielle Grundspannung

Als Alternative dazu, das Substrat 5 hinsichtlich der Erdung vorzuspannen, können das der Vorspannung angepaßte Netz 43 und die obere Platte 17T "enterdet" werden und sich aufeinander beziehen, wie durch die strichlierte Verbindung 50, Figuren 1 und 2, angegeben wird. Bezug nehmend auf Figur 2 wird die obere Platte differentiell betrieben und so ausgeglichen, daß die Spannung VT-SS zwischen der oberen Platte und dem Substrat etwa doppelt so groß ist wie die Spannung VT-W zwischen der oberen Platte und der Wand 12 und annähernd doppelt so groß wie die Spannung VSS-W zwischen dem Substrat und der Wand. Dieser ausgeglichene differentielle Betrieb vermindert die Wechselwirkung des Plasmas mit den Wänden und erhöht die Wechselwirkung, die Ionenextraktion zwischen dem Quellenbereich 16A und dem Verarbeitungsbereich 16B.

3) Andere mögliche Anordnungen

Das Plasmareaktorsystem der Erfindung wird in Figur 1 in der herkömmlichen Ordnung dargestellt, die senkrecht ist, wobei das Substrat 5 auf einer Elektrode 32 (Kathode) liegt und die Antenne 30 die Kuppel 17 über der Elektrode umgibt. Der Einfachheit halber wurde die Leistung, die zur Antenne 30 geleitet wurde, "Antennen-" oder "Quellen-" oder "obere" Leistung genannt, und die zur Elektrode/Kathode 32 geleitete wurde "Grund-" oder "untere" Leistung genannt. Diese Darstellungen und Bezeichnungen dienen nur der Vereinfachung, und es versteht sich von selbst, daß das beschriebene System umgekehrt werden kann, das heißt, daß die Elektrode 32 oben angeordnet ist und sich eine Antenne unter dieser Elektrode befindet oder auf andere Art wie waagrecht ohne Abänderung angeordnet sein kann. Kurz gesagt arbeitet das Reaktorsystem unabhängig von der Ausrichtung. In der umgekehrten Anordnung kann das Plasma an der Antenne 30 erzeugt werden und in gleicher Weise, wie in den Beschreibungen geschildert wird, hinauf zum Substrat 5 befördert werden, das sich über der Antenne befindet. Das heißt, der Transport von aktiven Arten geschieht durch Diffusion und Massenfluß oder wahlweise unterstützt durch ein Magnetfeld mit einem axialen Gradienten. Dieses Verfahren hängt nicht von Gravitationskräften ab und ist so relativ unbeeinflußt von der Ausrichtung. Die umgekehrte Ausrichtung kann zum Beispiel nützlich sein, um die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, daß Teilchen auf das Substrat fallen, die im Plasmaerzeugungsbereich in der Gasphase oder auf einer Oberfläche gebildet werden. Die Schwerkraft setzt dann die Wahrscheinlichkeit herab, daß sich alle außer die kleinsten dieser Teilchen gegen einen Potentialgradienten der Schwerkraft zur Substratoberfläche aufwärts bewegen.

4) Betrieb bei hohem und niedrigem Druck und veränderbare Abstände

Unser Entwurf für die Kammer kann für den Betrieb sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Drücken verwendet werden. Der Abstand d zwischen der Substrat tragenden Elektrode 32C und der Fläche der unteren Windung oder Wicklung der Antenne 30 kann dem Betrieb bei sowohl hohem als auch niedrigem Druck angepaßt werden. Zum Beispiel verwendet der Betrieb bei einem hohen Druck von 66,5 Pa - 6,65 kPa (500 mTorr - 50 Torr) vorzugsweise einen Abstand d ≤ etwa 5 Zentimeter, während bei einem Betrieb bei geringerem Druck im Bereich von < 0,0133 Pa - 66,5 Pa (< 0,1 mTorr - 500 mTorr) ein Abstand d von über 5 Zentimetern bevorzugt werden kann. Die Kammer kann wie gezeigt einen festen Abstand d einschließen oder kann Ausführungen veränderbarer Abstände wie vertauschbare oder ineinanderschiebbare obere Kammerabschnitte nutzen. Das Reaktorsystem 10 ist für Verfahren wie Hoch- und Tiefdruckablagerungen von Materialien wie Siliziumoxid und Siliziumnitrid; anisotropes reaktives Ionenätzen von Materialien wie Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Silizium, Polysilizium, Glas und Aluminium bei niedrigem Druck; Plasmaätzen solcher Materialien bei hohem Druck; und Kristallflächenherstellung durch CVD nutzbar, das gleichzeitiges Ablagern und Wegätzen solcher Materialien einschließt und das Einebnen der Substrattopographie umfaßt. Diese und andere Verfahren, für die das Reaktorsystem 10 verwendet werden kann, werden im EP Antrag 91112905.4 mit dem Titel "VHF/UHF PLASMA PROCESS FOR USE IN FORMING INTEGRATED CIRCUIT STRUCTURES ON SEMICONDUCTOR WAFERS" beschrieben, der im Namen des Antragstellers am 31. Juli 1991 eingereicht wurde.

15. GERÄTEBEISPIELE

Eine vorliegende Arbeitsausführung unseres Systems beinhaltet den in Figur 1 dargestellten Quellenaufbau und den Antennenaufbau. Die 12,7 cm (5 Inch) hohe Kammer 17 der Quarzquelle weist einen Durchmesser von 30,48 cm (12 Inch) auf. Die Spulenantenne mit 2 MHz, 33,02 cm (13 Inch) Durchmesser, 10,16 cm (4 Inch) Höhe, 13 Windungen ist an beiden Enden (mit veränderlichen Kondensatoren L und T, die geerdet sind) mit einem Abstand von etwa 0,64 cm (etwa 0,25 Inch) von der (unten) geerdeten Platte begrenzt und umgibt die Quelle. Für reaktive Lastanpassung wird durch den veränderlichen Kondensator L (um 10-3000 Picofarad veränderlicher Aufsatz, 5 kV dimensioniert) gesorgt. Ein kapazitives Abstimmen der Antenne auf Resonanz wird durch einen Abstimmkondensator T (5-100 Picofarad, 15 kV Dimensionierung) geliefert. Der Betrieb unter Verwendung einer Quellen-RF-Energie von 2 kWatt, 2 MHz liefert ein Plasma, das sich zum Substrat erstreckt, das sich 5,08 cm (2 Inch) stromabwärts (unter der Quelle) befindet. Das liefert stromabwärts am Substrat eine Plasmendichte von 1-2 x 10¹²/cm³ und eine Ionensättigungsstromdichte von 10-15 mA/cm². Eine Grund- oder Vorspannung von 2 MHz, 600 Watt, die auf ein Substrat von 12,7 cm (5 Inch) angewendet wird, das auf der Substrat tragenden Elektrode etwa 5,1 cm (2 Inch) unter (stromabwärts) der Antenne liegt, liefert eine Kathodenhüllspannung von 200 Volt.
Der Durchschnittsfachmann wird es schätzen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung einer Kuppel für sich begrenzt ist. Eher ist sie auf im wesentlichen jede Anordnung mit einem Quellenbereich und einem Verarbeitungsbereich anwendbar. Das umfaßt zum Beispiel sowohl den "gestuften" Kammeraufbau der Kuppel, der in den Zeichnungen dargestellt wird, als auch einen eher herkömmlichen nicht gestuften Aufbau, bei dem die Quelle und der Verarbeitungsbereich oder die Kammerabschnitte im wesentlichen vom gleichen Querschnitt sind.

16. VERFAHREN

Wie oben angegeben ist der oben beschriebene Reaktor, der die vorliegende Erfindung ausführt, für vielzählige Plasmenverfahren wie Reaktives Ionenätzen (RIE), Hochdruckplasmenätzen, Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bei geringem Druck, Kathodenzerstäubungs-Kristallflächen-Ablagerung und Einebnung umfassend, und winkeltreue isotropische CVD einzigartig nützlich. Andere Anwendungen umfassen Kathodenzerstäubungsätzen, Ionenstrahlätzen oder als Quelle für Elektronen, Ionen oder aktive neutrale Plasmen, ist aber nicht darauf beschränkt.

Claims

1. Plasmaätzverfahren, das folgendes umfaßt:

a) Bereitstellung einer Vakuumkammer (16) zur Erzeugung eines Plasmas,

b) Halten eines zu bearbeitenden Artikels (5) auf einer Elektrode (32c) in der Kammer,

c) Zufuhr eines fluorhaltigen Ätzgases zu der Kammer,

d) induktives Koppeln von HF-Energie von einer HF- Energiequelle in die Kammer zur Erzeugung eines Plasmas hoher Dichte zur Bearbeitung des Artikels, gekennzeichnet durch

e) Bereitstellung einer Quelle von Silizium oder Graphit (17s) neben dem Ätzgas, wobei die Quelle mit dem Plasma in Kontakt ist, um Fluor aus dem Plasma zu entfernen.

-2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Quelle erwärmt wird, um eine Oberfläche hiervon als reaktiv aufrechtzuerhalten.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Quelle (17s) elektrisch vorgespannt ist, um die Oberfläche hiervon als reaktiv aufrechtzuerhalten.

4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Quelle (17s) eine feste Quelle von Silizium oder Graphit ist.

5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das des weiteren eine kapazitive Kopplung von HF-Energie in die Kammer über die Halteelektrode (32c) umfaßt.

6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Quelle (17s) eine siliciumhaltige Elektrode in der Kammer über der Elektrode zum Halten des Artikels ist.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, das des weiteren ein HF Vorspannen der siliciumhaltigen Elektrode (17s) umfaßt.

8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Temperatur der Quelle reguliert wird.

9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die HF-Kopplung über eine Spiralantenne (30) durch eine dielektrische Wand (17w) der Kammer (16) in die Kammer zur Erzeugung des Plasmas erfolgt.

10. Verfahren gemäß Anspruch 91 bei dem die dielektrische Wand (17w) neben der Spule erwärmt wird.

11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Quelle (17s) in der Plasmaregion der Kammer (16) befindet.

12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Antennenleistung und die Vorspannleistung zur Halteelektrode (32c) variiert werden, um anisotropes, semianisotropes und isotropes Ätzen zu bewirken.

13. Ätzverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zu bearbeitende Artikel (5) ein nichtsauerstoffhaltiges Material und ein darüberliegendes sauerstoffhaltiges Material aufweist.

14. Ätzverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das fluorhaltige Ätzgas ein Fluorkohlenstoff ist.

15. Atzverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Artikel (5) ein nichtsauerstoffhaltiges Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Einzelkristallsilizium, Polysilizium, Siliziumnitrid, Wolframsilicid, Titannitrid und Aluminium aufweist.

16. Ätzverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Artikel (5) des weiteren ein sauerstoffhaltiges Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siliciumoxid und Glas aufweist.

17. Ätzverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Passivierungspolymer mit mehr als 50% Kohlenstoff und 40% oder weniger Fluor auf dem Substrat (5) gebildet ist.

18. Ätzverfahren gemäß Anspruch 11 bei dem der Artikel ein Substrat (5) mit einem ersten Oberflächenbereich eines ersten Materials ohne Sauerstoff und einem darüberliegenden zweiten Oberflächenbereich mit einem zweiten Material mit Sauerstoff ist, und wobei das Ätzgas ein Prozeßgas ist, das Fluor und Kohlenstoff enthält, wobei durch das Prozeßgas eine Ätzung des zweiten Materials und eine Bildung eines Polymers mit gewichtsmäßig mehr als 50 % Kohlenstoff und 40 % oder weniger Fluor über freiliegenden Bereichen des ersten Oberflächenbereichs erfolgt.

19. Ätzverfahren gemäß Anspruch 18, das des weiteren die Erzeugung eines Plasmas zur Unterstützung der Bearbeitung umfaßt.

20. Ätzverfahren gemäß einem der Ansprüche 18 oder 19, bei dem das erste Material Silicium enthält.

21. Ätzverfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem das erste Material im wesentlichen aus Polysilizium besteht.

22. Ätzverfahren gemäß einem der Ansprüghe 18 bis 21, bei dem das zweite Material zusätzlich Silizium enthält.

23. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem es sich bei der Quelle (17s) um siliziumhaltiges Gas handelt.

24. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 oder 23, bei dem die Quelle aus Silizium oder Graphit (17s) über einer oberen Oberfläche des Artikels (5) angeordnet ist, welcher bearbeitet wird.

25. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 oder 23 bis 24, das des weiteren ein HF-Vorspannen der Quelle aus Silizium oder Graphit (17s) umfaßt.

26. Plasmaätzverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das des weiteren die Bereitstellung eines Feststoffängers mit Silicium oder Graphit zum Entfernen von Fluor (17s) umfaßt.

27. Plasmabearbeitungs reaktor mit:

einer Vakuumkammer (16);

einer Quelle von Prozeßgas (G1) zu der Kammer,

einem Halter für ein Werkstück (5) zur Bearbeitung (32c);

mindestens einer HF-Energiequelle (40, 42);

einer Spiralantenne (30) über dem Werkstück (5) zum induktiven Koppeln eines HF-Signals von der HF- Energiequelle in die Kammer zur Erzeugung eines Plasmas vom Prozeßgas;

gekennzeichnet durch eine Quelle von Graphit oder Silizium (17s) neben dem Werkstück in Kontakt mit dem Plasma zum Entfernen von Fluor aus dem Plasma.

28. Reaktor gemäß Anspruch 27, bei dem die Quelle (17s) eine feste Quelle von Graphit oder Silizium ist.

29. Reaktor gemäß Anspruch 27 oder 28, bei dem die Quelle (17s) temperaturgesteuert ist.

30. Reaktor gemäß einem der Ansprüche 27 bis 29, der des weiteren Mittel (90) zur Erwärmung der Quelle (17s) aufweist.

31. Reaktor gemäß einem der Ansprüche 27 bis 30, bei dem die Quelle (17s) über einer oberen Oberfläche des Werkstücks (5) angeordnet ist, welches bearbeitet wird.

32. Reaktor gemäß einem der Ansprüche 27 bis 31, bei dem die Quelle (17s) eine Elektrode ist, welche mit einem zweiten HF-Signal von der mindestens einen HF-Energiequelle (40, 42) versorgt wird.