DE69510427T2

DE69510427T2 - Plasmareaktoren zur Halbleiterscheibenbehandlung

Info

Publication number: DE69510427T2
Application number: DE69510427T
Authority: DE
Inventors: Xue-Yu Qian; Arthur H. Sato
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1995-10-13
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2015-10-14
Also published as: ATE181637T1; EP0710055B1; DE69510427D1; JPH08227878A; EP0710055A1; US6297468B1; US6291793B1; KR100362455B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung Mikroelektronik-IC-Schaltungen mit einem induktiv gekoppelten HF-Plasmareaktor und insbesondere auf Plasmareaktoren zum Bearbeiten von Halbleiterwafern mit Spulen-HF-Antennen, die eine höchst gleichmäßige Plasmaverteilung erzeugen.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Spulenantenne für einen solchen Reaktor.
Induktiv gekoppelte Plasmareaktoren werden dann verwendet, wenn hochdichte induktiv gekoppelte Plasmen zur Bearbeitung von Halbleiterwafern gewünscht sind. Die Bearbeitung kann in einer Ätzung, einer Dampfabscheidung usw. bestehen. Induktiv gekoppelte Reaktoren verwenden typischerweise eine Spulenantenne, die um einen Teil oder nahe an einem Teils der Reaktorkammer angeordnet und mit einer HF-Energiequelle verbunden ist. Zum Erzielen einer gleichmäßigen Ätzgeschwindigkeit oder Abscheidungsrate über die gesamte Oberfläche des Wafers muß die von der Spulenantenne gelieferte Plasmadichte über die Oberfläche des Halbleiterwafers gleichmäßig sein. Ein Versuch, ein solches gleichmäßiges Feld zu erzeugen, besteht darin, die Spulenantenne in einer flachen Scheibe parallel über dem Wafer anzuordnen, wie es in der US-A-4,948,458 beschrieben ist. Das Konzept ist in Fig. 1 der diese Beschreibung begleitenden Zeichnungen dargestellt.
Ein Problem bei der flachen Spulenantenne von Fig. 1 der US-A-4,948,458 ist, daß eine große Potentialdifferenz zwischen der Mitte der Antenne und dessen äußerer Kante entsteht, was dazu führt, daß das Plasma eine hohe Ionendichte oder einen "Hotspot" über der Mitte des Wafers und eine geringere Ionendichte am Waferrand aufweisen kann. Dies führt wiederum dazu, daß die Ätzrate - oder die Abscheidungsrate - über die Waferoberfläche nicht gleichmäßig ist. Eine Möglichkeit zum Beheben dieses Problems ist die Beschränkung der an die Antennenspule angelegten Leistung auf ein paar hundert Watt, um so die Plasmaungleichmäßigkeit zu minimieren. Dies ist nicht voll befriedigend, weil es die Ätzrate (oder Abscheidungsrate) begrenzt, wodurch der Durchsatz oder die Produktivität des Reaktors verringert wird, und außerdem wird dadurch nicht das Problem der Prozeßunregelmäßigkeit über die Waferoberfläche behoben.
Ein weiteres Problem bei induktiv gekoppelten Reaktoren ist, daß eine an die Antennenspule angelegte Hochspannung zu einer kapazitiven Kopplung von HF-Leistung in das Plasma führt. Anders ausgedrückt erhöht sich die kapazitive Kopplung von HF-Leistung von der Spulenantenne in das Plasma mit der Spannung an der Spulenantenne. Eine solche kapazitive Kopplung kann die kinetische Energie der Ionen erhöhen, was es dem Benutzer erschwert, die kinetische Energie der Ionen genau zu steuern und dadurch die Sputterrate oder Ätzrate zu steuern. Die kapazitive Kopplung ist bei der flachen Scheiben-Spulenantenne der US-A-4,948,458 besonders ausgeprägt.
Es besteht daher ein Bedarf nach einem induktiv gekoppelten Plasmareaktor mit einer Spulenantenne, die bei hoher Leistung ein höchst gleichmäßiges Plasma über die Waferoberfläche mit minimaler kapazitiver Kopplung erzeugt.
Die vorliegende Erfindung sieht einen Plasmareaktor zum Bearbeiten eines Halbleiterwafers mit den folgenden Elementen vor: einer Vakuumkammer, einem Gaseinlaß zum Einführen von Prozeßgas in die Vakuumkammer, einer Waferhalterung zum Halten des Halbleiterwafers in der Vakuumkammer, einer ELF-Energiequelle, und einer Spulenantenne in der Nähe der Vakuumkammer, wobei die Spulenantenne mehrere konzentrische Spiralleiterwicklungen aufweist, wobei jede der Wicklungen ein inneres Ende nahe einem Scheitelpunkt der Spiralwicklung und ein äußeres Ende am äußeren Rand der Spiralwicklung aufweist, die inneren Enden der Wicklungen mit einer gemeinsamen Klemme verbunden sind und die HF-Energiequelle zwischen die gemeinsame Klemme und das äußere Ende jeder der Wicklungen geschaltet ist.
Außerdem ist erfindungsgemäß eine Spulenantenne nach Anspruch 22 vorgesehen.
In einer ersten Ausführungsform weist die Reaktorkammer eine planare Decke auf, und die Antennenspule hat eine planare Scheibenform und liegt auf einer Außenoberfläche der Decke. In einer zweiten Ausführungsform weist der Reaktor eine zylindrische Seitenwand auf, und die Antenntenspule hat eine zylindrische Form und ist helixförmig um einen Teil der Zylinderwand gewickelt. In einer dritten Ausführungsform weist der Reaktor eine kuppelförmige Decke auf, und die Antennenspule hat eine Kuppelform und ist helixförmig gewickelt, liegt auf und ist kongruent mit mindestens einem Teil der kuppelförmigen Decke. In einer vierten Ausführungsform hat der Reaktor eine Decke in der Form eines Kuppelstumpfs, und die Antennenspule hat die Form eines Kuppelstumpfs und liegt auf und ist kongruent mit mindestens einem Teil der kuppelstumpfförmigen Decke. Bei einer fünften Ausführungsform weist die Reaktorkammer eine planare Decke und eine zylindrische Seitenwand auf, und ein Teil der Antennenspule ist planar und liegt über der planaren Decke, während ein anderer Teil der Antennspule zylindrisch ist und helixförmig um mindestens einen Teil der zylindrischen Seitenwand gewickelt ist. Bei einer sechsten Ausführungsform weist der Reaktor eine kuppelförmige Decke und eine zylindrische Seitenwand auf, und ein Teil der Antennenspule ist kuppelförmig und liegt über und ist kongruent mit der kuppelförmigen Decke, und ein anderer Teil der Spulenantenne ist zylindrisch und ist um mindestens einen Teil der zylindrischen Seitenwand gewickelt. Bei einer siebten Ausführungsform weist der Reaktor eine Decke in der Form eines Kuppelstumpfs und eine zylindrische Seitenwand auf, und ein Teil der Antennenspule ist kuppelstumpfförmig und liegt über und ist kongruent mit der kuppelstumpfförmigen Decke, und ein anderer Teil der Spulenantenne ist zylindrisch und ist um mindestens einen Teil der zylindrischen Seitenwand gewickelt.
Vorzugsweise haben die mehreren Wicklungen ungefähr die gleiche Länge. Bei einer Ausführungform weist die Spulenantenne drei der Wicklungen auf. Vorzugsweise sind die inneren Enden im Umkreis in gleichen Abständen voneinander beabstandet, und auch die äußeren Enden sind im Umkreis in gleichen Abständen voneinander beabstandet. Eine Vorspann-HF-Quelle kann mit der Waferhalterung verbunden sein.
Es folgt eine Beschreibung einiger spezifischer Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer Spulenantenne für einen induktiv gekoppelten Plasmareaktor des Standes der Technik,
Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung einer Spulenantenne, deren Wicklungen parallel an eine HF-Quelle angeschlossen sind,
Fig. 3A eine Draufsicht einer flachen Scheiben-Spulenantenne für einen Plasmareaktor nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3B eine Draufsicht einer flachen Scheiben-Spulenantenne nach Fig. 3A, jedoch mit einer größeren Anzahl von Wicklungen,
Fig. 4 eine Seitenansicht von Fig. 3A,
Fig. 5 eine perspektivische Schnittdarstellung eines induktiv gekoppelten Plasmareaktors, der die Spulenantenne der Ausführungsform von Fig. 3A verwendet,
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer zylindrischen Spulenantenne nach einer zweiten Ausführungform der Erfindung,
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer Spulenantenne nach einer dritten Ausführungform der Erfindung, die darin eine Variante der zylindrischen Spulenantenne von Fig. 6 ist, daß sich die zylindrische Spule über die Decke des Reaktors hinweg fortsetzt,
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung einer Spulenantenne nach einer vierten Ausführungform der Erfindung mit einer Kuppelform,
Fig. 9 eine perspektivische Darstellung einer Spulenantenne nach einer fünften Ausführungsform, die eine Variante der zylindrischen Spulenantenne von Fig. 6 und der Kuppelantenne von Fig. 8 ist,
Fig. 10 eine perspektivische Darstellung einer Spulenantenne nach einer sechsten Ausführungsform, die eine Kuppel stumpfform hat und über einer kuppelstumpfförmigen Decke eines Plasmareaktors liegt,
Fig. 11 eine perspektivische Darstellung einer Spulenantenne nach einer siebten Ausführungsform, die einen kuppelstumpfförmigen Teil hat, der über einer kuppelstumpfförmigen Decke eines Plasmareaktors liegt, und einen zylindrischen Teil, der die Reaktorseitenwand umgibt,
Fig. 12 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Kuppelstumpfdecke, die eine angeschrägte Kante um den Umkreis der Decke aufweist,
Fig. 13 eine perspektivische Darstellung einer Variante der Ausführungsform von Fig. 12 mit einer zylindrischen Wicklung,
Fig. 14 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit einer seichten oder teilweise kuppelförmigen Decke,
Fig. 15 eine perspektivische Darstellung einer Variante der Ausführungsform von Fig. 14 mit einer zylindrischen Wicklung,
Fig. 16 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit einer seichten kuppelförmigen Decke, die eine angeschrägte Kante um den Umkreis der Decke aufweist,
Fig. 17 eine perspektivische Darstellung einer Variante der Ausführungsform von Fig. 16 mit einer zylindrischen Wicklung,
Fig. 18 superponierte Kurven von Ionenstrom, der auf der Waferoberfläche gemessen wurde, in Abhängigkeit von der radialen Position von der Wafermitte für verschiedene Arten bekannter Reaktoren und entsprechende Kurven für einen erfindungsgemäßen Reaktor,
Fig. 19 superponierte Kurven von Ionenstrom, der auf der Waferoberfläche gemessen wurde, in Abhängigkeit vom Reaktorkammerdruck für verschiedene bekannte Reaktoren,
Fig. 20 superponierte Kurven von Ionenstrom, der auf der Waferoberfläche gemessen wurde, in Abhängigkeit vom Reaktorkammerdruck für verschiedene bekannte Reaktoren und für einen erfindungsgemäßen Reaktor,
Fig. 21 superponierte Kurven von Ionenstrom, der auf der Waferoberfläche gemessen wurde, in Abhängigkeit vom Reaktorkammerdruck für verschiedene bekannte Reaktoren.
Bei einem induktiv gekoppelten Plasmareaktor mit einer HF-Antennenspule in der Nähe der Reaktorkammer ist es ein Ziel der Erfindung, die Spannung an der Spule zu verringern. Eine Möglichkeit zum Verringern der Spulenspannung ist eine Verringerung der Induktivität in der Wicklung der Spulenantenne. Das würde das Spannungspotential an jeder Wicklung verringern (da V = L di/dt, wobei L die Wicklungsinduktivität und i der Wicklungsstrom ist), wobei diese Verringerung des elektrischen Potentials die kapazitive Kopplung in das Plasma verringern würde. Fig. 2 zeigt eine Art und Weise, dies zu bewerkstelligen, indem alle Spulenwicklungen 10, 12, 14 über die Leiter 20, 22 parallel an die HF-Spannungsquelle 16, 18 angeschlossen werden. Ein Ende 10a, 12a, 14a jeder Wicklung ist mit dem Leiter 20 verbunden, während das jeweils andere Ende 10b, 12b, 14b mit dem anderen Leiter 22 verbunden ist. Das Problem dabei ist, daß der Abstand 24 zwischen den Leitern 20, 22 eine Diskontinuität im HF-Feld erzeugt. So kann zum Beispiel beim Plasma-Ätzreaktor, der die Spulenantenne von Fig. 2 verwendet, die Diskontinuität der Spule oft eine Azimutal-Asymmetrie der Plasmadichte über der Waferoberfläche erzeugen. Die Spulenantenne von Fig. 2 erzeugt also keine gleichmäßige Plasmadichte und löst daher die Aufgabe nicht.
Gemäß Fig. 3A und 4 liegt eine Spulenantenne 30 über der Decke einer Reaktorkammer 31, wobei die Spulenantenne 30 mehrere Spiralwicklungen 32, 34, 36 aufweist, die parallel mit einem Kondensator 62 und einer HF-Quelle 64 verschaltet sind. Die Wicklungen 32, 34, 36 haben innere Enden 32a, 34a, 36a in der Nähe der Mitte der Spiralen und äußere Enden 32b, 34b, 36b an den äußeren Rändern der Spiralen. Die inneren Enden 32a, 34a, 36a sind an einem gemeinsamen Scheitelanschluß 38 zusammengeschaltet. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der gemeinsame Scheitelanschluß 38 an Masse angeschlossen, während die äußeren Wicklungsenden 32b, 34b, 36b mit der HF-Quelle 64 verbunden sind. Wie in Fig. 4 gezeigt, stehen die geraden inneren Arme der Wicklungen 32, 34, 36 vorzugsweise vertikal nach oben, weg von der Oberseite des Reaktors zum Scheitelpunktanschluß 38 über eine vertikale Entfernung v von ungefähr 2 cm. Fig. 3B zeigt eine 5-Wicklungs-Version der Spulenantenne von Fig. 3A mit konzentrischen Wicklungen 32, 33, 34, 35, 36 mit inneren Enden 32a, 33a, 34a, 35a, 36a, und äußeren Enden 32b, 33b, 34b, 35b, 36b.
Fig. 5 zeigt einen induktiv gekoppelten Plasmareaktor mit einer zylindrischen Vakuumkammer 50 mit einer flachen Scheiben-Isolationsdecke 52, einer geerdeten leitfähigen zylindrischen Seitenwand 54, einem Gasversorgungseinlaß 56 und einer Waferhalterung 58. Eine Vakuumpumpe 60 pumpt Gas aus der Vakuumkammer. Die Spulenantenne 30 von Fig. 3A liegt auf der Decke 52 auf. Eine HF-Energiequelle 64 legt über den Kondensator 62 Leistung an die äußeren Wicklungsenden 32, 34, 36 an, während der gemeinsame Anschluß 38 geerdet ist. Eine Vorspann- HF-Quelle 66, 68 ist zum Steuern der kinetischen Energie der Ionen mit der Waferhalterung 58 verbunden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Ausführungsform von Fig. 5 werden die Kreiswicklungen zu geraden radialen Armen, die im Scheitelpunktanschluß 38 enden, wobei sich die Arme entlang eines Radius r (Fig. 5) von ungefähr 2,5 cm erstrecken. Die äußereste der Wicklungen 32, 34, 36 hat einen Radius R (Fig. 5) von ungefähr 35 cm in den Fällen, in denen der Waferdurchmesser d (Fig. 5) ungefähr 20 cm ist. Die Höhe h (Fig. 5) der Spulenantenne über dem Wafer ist vorzugsweise 5,0 cm bis 7,5 cm. Vorzugsweise hat jede der Spulenwicklungen 32, 34, 36 1,5 Windungen. Die Anzahl der Wicklungen pro Radiuslänge, die bei der Ausführungsform von Fig. 5 1,5/26 cm&supmin;¹ ist, kann so verändert werden, daß die Plasmadichteverteilung über der Waferoberfläche wie gewünscht eingestellt werden kann.
Fig. 6 zeigt eine zylindrische Version 40 der Spulenantenne 30 von Fig. 3A, die auch mehrere konzentrische Spiralwicklungen 32', 34', 36' aufweist, die jeweils um einen iso lierenden Teil der zylindrischen Seitenwand 54 des Reaktors von Fig. 5 gewickelt sind. Die mehreren konzentrischen Wicklungen 32', 34', 36' haben entsprechende inneren Enden 32a', 34a', 36a', die in einem gemeinsamen Scheitelanschluß 38a enden, sowie äußere Enden 32b', 34b', 36b', die in gleichen Abständen voneinander an Orten um die untere Seitenwand der Reaktorkammer enden. Fig. 7 zeigt eine andere Version der zylindrischen Antenne 60, bei der innere Enden 32a', 34a', 36a' der Antenne 60 sich in Spiralform über die Oberseite des Reaktors in ganz ähnlicher Art wie in Fig. 5 zum gemeinsamen Scheitelanschluß 38b erstrecken, wodurch eine durchgehende einzige Zylinderspulenantenne 70 gebildet wird, die sich nicht nur über Teile der zylindrischen Wand 54, sondern auch über die Decke 52 des Reaktors erstreckt. Vorzugsweise erfährt jede Wicklung 32', 34', 36' einen glatten Übergang an der Kante zwischen der Decke und der zylindrischen Seitenwand, wie in der Zeichnung gezeigt.
Fig. 8 zeigt eine kuppelförmige Version 80 der Spulenantenne 30 von Fig. 3A zur Verwendung mit einer Version der Reaktors von Fig. 5, bei dem die Decke 52 kuppelförmig ist. Fig. 9 zeigt, wie die kuppelförmige Spulenantenne 80 in die zylinderförmige Spulenantenne 60 integriert sein kann und eine einzige Antenne 90 bildet, die sowohl die kuppelförmige Decke als auch die zylindrische Seitenwand des Reaktors der Ausführungsform von Fig. 8 bedeckt. Die Wicklungen erfahren einen glatten Übergang von der kuppelförmigen Decke zur zylindrischen Seitenwand, wie das in der Zeichnung gezeigt ist. Fig. 10 zeigt eine Modifikation der Spule 80 von Fig. 8, bei der die kuppelförmige Decke ein Kuppelstumpf ist, so daß der Scheitel flach ist. Fig. 11 zeigt eine Modifikation der Spule von Fig. 9, bei der die kuppelförmige Decke ein Kuppelstumpf ist, so daß der Scheitel flach ist.
Die Wicklungen 32, 34, 36 sind durch einen so weiten Abstand voneinander entfernt, daß eine Lichtbogenbildung zwischen ihnen ausgeschlossen ist. Zur Erzeugung einer azimutal symmetrischen HF-Energiezufuhr und einer minimalen Potentialdifferenz zwischen nebeneinanderliegenden Wicklungen über deren gesamte Länge haben alle Wicklungen 32, 34, 36 vorzugsweise die gleiche Länge. Bei den gezeigten Ausführungsformen sind die Abstände zwischen den Wicklungen gleich und in der ganzen Antennenspule gleich. Die Erfindung kann jedoch auch modifiziert werden, indem die Abstände von Wicklung zu Wicklung verändert werden, so daß sie an unterschiedlichen Orten unterschiedlich sind oder sich zwischen unterschiedlichen Wicklungspaaren unterscheiden.
Die Erfindung wurde zwar anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die drei konzentrische Spiralwicklungen 32, 34, 36 hat, doch können auch andere Ausführungsformen der Erfindung mit nur zwei solchen Wicklungen, oder mit vier solchen Wicklungen oder eine beliebigen gewünschten Anzahl von Wicklungen hergestellt werden, solange der erforderliche Abstand von einer Wicklung zur nächsten zum Verhindern einer Lichtbogenbildung eingehalten wird. Eine größere Anzahl von Spiralwicklungen erzeugt ein gleichmäßigeres HF- Feld und in manchen Fällen eine gleichmäßigere Plasmaionendichte über der Waferoberfläche.
Fig. 12 zeigte eine Variante der Ausführungsform von Fig. 10, bei der die Decke 52 einen flachen Bereich 52a in der Mitte aufweist, der durch eine ringförmige Anschrägung 52b umgeben ist, der einen glatten Übergang schafft zwischen dem waagrechten flachen Bereich 52a zur senkrechten Seitenwand 54. Dies wiederum verhilft den Wicklungen 32, 33, 34, 35, 36 ebenfalls zu einem glatten Übergang. Ein ringförmiger Teil der Spulenantenne liegt über der Kantenanschrägung und ist mit dieser konform. Außerdem weist die Ausführungsform von Fig. 12 fünf konzentrische Wicklungen 32, 33, 34, 35, 36 mit äußeren Enden 32b, 33b, 34b, 35b, 36b auf. Fig. 13 zeigt eine Variante der Ausführungsform von Fig. 12, bei der konzentrische Wicklungen 32', 33', 34', 35', 36' einen glatten Übergang an der Kantenanschrägung vom flachen Teil der Decke 52 zur zylindrischen Seitenwand erfahren, wobei jede dieser Wicklungen einen ersten Teil, der über dem abgeflachten Mittelteil 52a der Decke 52 liegt, einen zweiten Teil, der über der Kantenanschrägung 52b der Decke 52 liegt, und einen dritten Teil, der um die zylindrische Seitenwand 54 gewickelt ist, aufweist. Die Wicklungsaußenenden 32b', 33b', 34b', 35b', 36b', die das untere Ende der Spulenantenne definieren, sind ungefähr auf der gleichen Höhe wie die Oberkante der Waferhalterung 58 angeordnet und über den Kondensator 62 mit dem Ausgang der HF- Quelle verbunden. Die Steilheit der Wicklungen kann sich mit dem Ort verändern, so daß zum Beispiel die Wicklungen auf der Oberseite mit einer Steilheit verlaufen können, während die Wicklung um die zylindrische Seitenwand mit einer anderen Steilheit verläuft, wodurch sich die Plasmabildung besser steuern läßt.
Fig. 14 zeigt eine Variante der Ausführungsform von Fig. 12 mit einer abgeflachten kuppelförmigen Decke, deren Bogenkrümmung sich über einen Winkel erstreckt, der wesentlicher kleiner als 180 Grad ist, zum Beispiel 90 Grad. Die kuppelförmige Decke von Fig. 10 dagegen erstreckt sich zum Beispiel über einen Bogen von ungefähr 180 Grad. Fig. 15 zeigt eine Variante der Ausführungsform von Fig. 13, ebenfalls mit einer abgeflachten kuppelförmigen Decke, deren Bogen sich über einen Winkel von wesentlich weniger als 180 Grad erstreckt, zum Beispiel über 90 Grad.
Fig. 16 zeigt eine Ausführungsform, die eine abgeflachte Kuppel 52a' wie die von Fig. 14 in der Mitte mit einer Anschrägung 52b' der Kante wie der von Fig. 12 kombiniert. Fig. 17 zeigt eine Variante der Ausführungsform von Fig. 16, bei der die Wicklungen einen glatten Übergang an der Kantenanschrägung 52b von der Decke 52 zur zylindrischen Seitenwand 54 erfahren. Die Ausführungsformen von Fig. 12-17 sind mit jeweils fünf konzentrischen Wicklungen dargestellt, gegenüber den drei konzentrischen Wicklungen der Ausführungsformen von Fig. 3-11. Die Erfindung kann mit einer beliebigen geeigneten Anzahl konzentrischer Wicklungen ausgeführt werden.

Vorteile der Erfindung

Die parallele Anordnung der Wicklungen 32, 34, 36 der Spulenantenne 30 von Fig. 3A verringert das an der jeweiligen Wicklung anliegende Potential im Vergleich zum Beispiel nur einer Wicklung und verringert daher die kapazitive Kopplung (wie oben anhand des Beispiels von Fig. 2 erläutert). Zusätzlich erzeugt die Spulenantenne von Fig. 3A eine gleichmäßige Plasmadichte über dem Wafer zum Beispiel im Vergleich zu früheren Verfahren, da keine Diskontinuitäten (z. B. des HF- Felds) des oben anhand von Fig. 2 erörterten Typs auftreten. Eine solche verbesserte Gleichmäßigkeit ist nicht auf Ätz- Anwendungen beschränkt, sondern wird auch verwendet, wenn die Erfindung bei anderen plasmaunterstützten Verfahren eingesetzt wird, wie zum Beispiel bei der chemischen und physischen Dampfabscheidung von Beschichtungen. Außerdem ist im Vergleich zur bekannten Fig. 1 nicht nur das Potential an den jeweiligen Wicklungen geringer, sondern es ist auch der in den erfindungsgemäßen parallelen Wicklungen fließende Strom räumlich viel gleichmäßiger über das Reaktionsvolumen verteilt.
Vorzugsweise haben die Wicklungen 32, 34, 36 jeweils die gleiche Länge, und ihre äußeren Enden 32b, 34b, 36b enden an Punkten, die um eine kreissymmetrische Reaktionskammer äquidistant angeordnet sind, wodurch die Gleichmäßigkeit weiter erhöht wird. Vorzugsweise enden die Wicklungsinnenenden 32a, 34a, 36a an der geometrischen Mitte der Spulenantenne, weil der Scheitelpunkt in der geometrischen Mitte der Spule liegt, die vorzugsweise eine geometrische Kreissymmetrie aufweist. Vorzugsweise soll außerdem diese geometrische Antennenmitte mit der Symmetrieachse einer kreissymmetrischen Reaktorkammer zusammenfallen. Außerdem sind die Wicklungsinnenenden 32a, 34a, 36a über eine begrenzte radiale Entfernung hinweg zueinander äquidistant, wo sie sich dem Scheitelanschluß 38a nähern. Außerdem sind die Wicklungen zumindest in flachen Konfigurationen der Erfindung, wie zum Beispiel der Ausführungsform von Fig. 3A, so gleichmäßig wie möglich zueinander beabstandet, während bei einer nicht-flachen Konfiguration, wie zum Beispiel der Ausführungsform von Fig. 8, glattere Variationen der Beabstandungen mit dem Radius von der geometrischen Mitte zum Ausgleich der Kammergeometrie vorgenommen werden können.
Folglich braucht die an die Spulenantenne von Fig. 3A angelegte HF-Energie nicht wie bei der Spulenantenne von Fig. 1 beschränkt zu sein. Die Spulenantenne von Fig. 3A kann sogar mit 3000 Watt HF-Energie bei 13,56 MHz betrieben werden, während die Spulenantenne von Fig. 1 auf ungefähr 300 Watt beschränkt ist, um ein Versagen aufgrund einer ungleichmäßigen Feldabdeckung zu vermeiden. Die durch die Spulenantenne von Fig. 3A ermöglichte HF-Leistungssteigerung erzeugt höhere. Ätzraten in einem Plasma-Ätzreaktor und höhere Abscheidungsraten in einem Reaktor zur chemischen Dampfabscheidung. Die Erfindung sieht so nicht nur eine größere Bearbeitungsgleichmäßigkeit der Waferoberfläche vor, sondern ermöglicht auch noch einen größeren Durchsatz bzw. eine größere Produktivität.
Die Erfindung ermöglicht eine größere Gleichmäßigkeit der Ionendichte über der Waferoberfläche, was einen beträchtlichen Vorteil darstellt. Dies wird in den superponierten Kurven von Fig. 18 veranschaulicht. Die Kurven von Fig. 18, die mit A1, A2, A3 und A4 bezeichnet sind, stellen Messungen dar von Ionenstrom an der Waferoberfläche in Milliampere pro Quadratzentimeter in Abhängigkeit von der Entfernung von der Wafermitte in Zentimetern für einen Reaktor, der die in Fig. 3A dargestellte erfindungsgemäße Spulenantenne verwendet. Dabei wurde die Reaktorkammer mit Chlorgas versorgt, der an die Antennenspule angelegte Energiepegel war 2000 Watt, es war keine Vorspann-HF-Spannung angelegt, und der Kammerdruck betrug 0,266, 0,826, 1,33322 bzw. 5,332 N/m² (2 mTorr, 6,2 mTorr, 10 mTorr und 4 mTorr). Die kleinste Abweichung in der Ionendichte, nämlich 2% in der mit A1 bezeichneten Kurve wird bei 2 mTorr erreicht. Der Gleichmäßigkeitsprozentsatz stellt die Veränderung der Stromdichte (senkrechte Achse) über dem Wafer, geteilt durch zweimal die durchschnittliche Stromdichte in diesem Bereich, dar. Dagegen hatte ein vom Hersteller Nr. 1 vertriebener Reaktor, dessen Verhalten durch die mit B bezeichnete Kurve in Fig. 18 dargestellt ist, eine Abweichung der Plasmaionendichte von 4,5% über der Waferoberfläche, während der angelegte HF-Leistungspegel der gleiche war, keine Vorspann-HF-Leistung anlag und die Mischung aus 50 Teilen Chlor und 20 Teilen Helium bestand. Ein von Hersteller Nr. 2 vertriebener Reaktor, dessen Verhalten durch die mit C in Fig. 18 bezeichnete Kurve dargestellt ist, hatte eine Abweichung der Plasmaionendichte von 9% unter ähnlichen Bedingungen. Ein von Hersteller Nr. 3 vertriebener Reaktor, dessen Verhalten durch die in Fig. 18 mit D bezeichnete Kurve dargestellt ist, hatte eine Abweichung von 11% der Plasmaionendichte über die Waferoberfläche. Ein von Hersteller Nr. 4 vertriebener Reaktor, dessen Verhalten durch die mit E bezeichnete Kurve von Fig. 18 dargestellt ist, hatte eine Abweichung der Plasmaionendichte über die Waferoberfläche von 26% bei einem angelegten Leistungspegel von 900 Watt an der Antennenspule. Die obigen Daten sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:
Die Erfindung ermöglicht eine größere Stabilität der Ionendichte über einen größeren Bereich von Kammerdrücken, was ein beträchtlicher Vorteil ist. Das Verhalten zweier Plasmareaktoren des Standes der Technik, die von Herstellern Nr. 2 und Nr. 3 vertrieben werden, ist durch die mit C und D bezeichneten superponierten Kurven von Fig. 19 dargestellt. Die senkrechte Achse ist ein normiert gemessener Ionenstrom an der Waferoberfläche, während die waagrechte Achse der Kammerdruck in mTorr ist. Der Plasmareaktor von Hersteller Nr. 2 (Kurve C) hat eine Abweichung von 23% des Ionenstroms über einen Druckbereich von 0,266 bis 0,666 N/m² (2 bis 5 mTorr). Der Reaktor von Hersteller Nr. 3 (Kurve D) hat eine Abweichung von 40% des Ionenstroms über den gleichen Druckbereich. Das Verhalten der Erfindung nach Fig. 3A und anderer, bekannter, Reaktoren ist in den superponierten Kurven von Fig. 20 dargestellt. Die mit A1, A2, A3 und A4 bezeichneten Kurven stellen den an der Waferoberfläche im erfindungsgemäßen Reaktor bei der Entfernung 0 cm, 2,9 cm, 5,9 cm bzw. 8,8 cm von der Wafermitte gemessenen Ionenstrom dar. Diese Kurven zeigen, daß die Abweichung der Ionendichte unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Reaktors über den gleichen Druckbereich nicht größer als 10% ist. Der vom Hersteller Nr. 1 vertriebene Reaktor, dessen Verhalten durch die mit B bezeichnete Kurve in Fig. 20 dargestellt ist, hatte eine Abweichung von 22% über einen viel kleineren Druckbereich. Ein vom Hersteller Nr. 5 vertriebener Reaktor, dessen Verhalten durch eine mit F bezeichnete Kurve in Fig. 20 dargestellt ist, hatte eine Abweichung der Ionendichte von 45% über einen ähnlichen Druckbereich (0,266- 0,666 N/m², gleich 2-5 mTorr). Der vom Hersteller Nr. 4 vertriebene Reaktor, dessen Verhalten durch die mit E bezeichnete Kurve in Fig. 21 dargestellt ist, hatte eine Abweichung der Ionendichte von 25% über den engeren Druckbereich von 0,0666 bis 0,266 N/m² (0,5 bis 2,0 mTorr). Die obigen experimentellen Meßwerte bezüglich der Stabilität der Ionendichte bei einer Veränderung des Kammerdrucks sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:
Die obigen experimentellen Daten zeigen, daß erfindungsgemäß eine Stabilität der Ionendichte bei Veränderungen des Drucks erreicht wird, die mehr als zweimal so gut ist wie die des besten bekannten Reaktors und mindestens viermal so gut wie diejenige sonstiger bekannter Reaktoren.
Die Erfindung wurde im einzelnen zwar anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben, doch versteht es sich, daß Variationen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne daß dadurch vom Umfang der Ansprüche abgewichen wird.

Claims

1. Plasmareaktor zum Verarbeiten eines Halbleiterwafers, mit einer Vakuumkammer (50),

einem Gaseinlaß zum Einführen von Prozeßgas in die Vakuumkammer,

einer Waferhalterung (58) zum Halten des Halbleiterwafers in der Vakuumkammer,

einer HF-Energiequelle (64),

und einer Spulenantenne (30) in der Nähe der Vakuumkammer,

dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenantenne mehrere konzentrische Spiralleiterwicklungen (32, 34, 36) aufweist, wobei jede der Wicklungen ein inneres Ende (32a, 34a, 36a) nahe einem Scheitelpunkt der Spiralwicklung und ein äußeres Ende (32b, 34b, 36b) am äußeren Rand der Spiralwicklung aufweist,

die inneren Enden der Wicklungen mit einer gemeinsamen Klemme verbunden sind und

die HF-Energiequelle zwischen die gemeinsame Klemme und das äußere Ende jeder der Wicklungen geschaltet ist.

2. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Energiequelle (64) zwei Klemmen aufweist, wobei eine der beiden Klemmen eine HF- Energieklemme und die andere der beiden Klemmen eine HF-Rückklemme ist, die an Masse angeschlossen ist, wobei die gemeinsame Klemme an Masse angeschlossen ist und das äußere Ende (32b, 34b, 36b) einer jeden der mehreren konzentrischen Spiralleiterwicklungen mit der HF-Energieklemme verbunden ist.

3. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorkammer (50) eine planare Decke (52) aufweist und mindestens ein Teil der Anten ne (30) die Form einer planaren Scheibe hat und auf einer Außenoberfläche der Decke liegt.

4. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorkammer (50) eine zylindrische Seitenwand (54) aufweist und mindestens ein Teil der Antenne (30) eine zylindrische Form (40) hat und einen Teil der zylindrischen Wand umschließt.

5. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (50) eine kuppelförmige Decke (52) hat und mindestens ein Teil der Antenne die Form einer Kuppel (80) hat und auf mindestens einem Teil der kuppelförmigen Decke liegt und mit dieser kongruent ist.

6. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Decke des Reaktors (50) die Form einer abgeschnittenen Kuppel (52 - Fig. 10) hat und mindestens ein Teil der Antenne die Form einer abgeschnittenen Kuppel hat und auf mindestens einem Teil der Decke in der Form einer abgeschnittenen Kuppel liegt und mit dieser kongruent ist.

7. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorkammer (50) eine planare Decke (52) und eine zylindrische Seitenwand (54) aufweist und ein Teil (30) der Antenne planar ist und über der planaren Decke liegt, während ein weiterer Teil (40) der Antenne zylindrisch ist und mindestens auf einem Teil der zylindrischen Seitenwand liegt.

8. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (50) eine kuppelförmige Decke (52) und eine zylindrische Seitenwand (54) aufweist und ein Teil (80) der Antenne kuppelförmig ist und auf der kuppelförmigen Decke liegt und mit ihr kongruent ist, während ein weiterer Teil (90) der Spulenantenne zylindrisch ist und mindestens auf einem Teil der zylindrischen Seitenwand liegt.

9. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (50) eine Decke in der Form einer abgeschnittenen Kuppel (52 - Fig. 11) und eine zylindrische Seitenwand (54) aufweist und ein Teil (80) der Antenne die Form einer abgeschnittenen Kuppel hat und auf der Decke in der Form einer abgeschnittenen Kuppel liegt und mit ihr kongruent ist, während ein weiterer Teil (90) der Spulenantenne zylindrisch ist und mindestens auf einem Teil der zylindrischen Seitenwand liegt.

10. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Wicklungen (32, 34, 36) ungefähr die gleiche Länge haben.

11. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenantenne drei der Wicklungen (32, 34, 36) aufweist.

12. Plasmareaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Enden (32a, 34a, 36a) in gleichen Abständen voneinander im Umkreis angeordnet sind, und die äußeren Enden (32b, 34b, 36b) in gleichen Abständen voneinander im Umkreis angeordnet sind.

13. Plasmareaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Enden der Wicklungen von den Scheitelpunkten der Wicklungen radial beabstandet sind und mit der gemeinsamen Klemme (38) durch jeweilige geradlinige, symmetrisch beabstandete Leiter (32a, 34a, 36a) verbunden sind.

14. Plasmareaktor nach Anspruch 1, weiter mit einer mit der Waferhalterung (58) verbundenen HF-Vorspannquelle (66, 68).

15. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (50) eine Seitenwand (54) und eine Decke (52) über der Seitenwand aufweist, wobei ein erster Teil (90) der Spulenantenne mit der Seitenwand konform über dieser liegt und ein zweiter Teil (80) der Antenne mit der Decke konform über dieser liegt, wobei ein glatter Übergang (32, 34, 36) zwischen dem ersten und dem zweiten Teil der Antenne ist.

16. Plasmareaktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Klemme (38) senkrecht über einer Ebene der inneren Enden der Wicklungen versetzt ist und die geradlinigen Leiter von den inneren Enden weg- und zur gemeinsamen Klemme hingebogen sind.

17. Plasmareaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Decke (52) einen Mittelteil (52a) mit einer charakteristischen Form und einen äußeren Ringteil (52b) mit einer Krümmung aufweist, die einen glatten Übergang zwischen der Seitenwand (54) und dem Mittelteil (52a) der Decke schafft, und daß der zweite Teil (80) der Antenne einen konform auf dem Mittelteil der Decke liegenden ersten Unterteil und einen glatt von der Decke in die Seitenwand übergehenden zweiten Unterteil aufweist.

18. Plasmareaktor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristische Form eine halbkugelförmige Kuppel (52 - Fig. 10) ist.

19. Plasmareaktor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristische Form eine Scheibe (52 - Fig. 6) ist.

20. Plasmareaktor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristische Form ein Teil einer halbkugelförmigen Kuppel (52 - Fig. 12) ist.

21. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer kreissymmetrisch ist und die konzentrischen Wicklungen der Spulenantenne kreissymmetrisch sind, mit einer gemeinsamen Symmetrieachse mit der Vakuumkammer.

22. Spulenantenne zum Strahlen von von einer HF-Quelle gelieferter HF-Energie in eine Vakuumkammer eines induktiv gekoppelten Plasmareaktors, der einen Halbleiterwafer in der Vakuumkammer bearbeitet, wobei die Spulenantenne die Merkmale der Spulenantenne des Plasmareaktors eines der Ansprüche 1 bis 20 aufweist.

23. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Ende jeder Wicklung bei einem inneren Radius der Spulenantenne ausläuft und das äußere Ende jeder Wicklung außen am äußeren Radius der Spulenantenne ausläuft.

24. Plasmareaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorkammer eine Decke aufweist, von der mindestens ein Teil planar ist, und der planare scheibenförmige Teil der Antenne auf einer Außenoberfläche des planaren Teils der Decke liegt.

25. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorkammer eine Seitenwand und eine über der Seitenwand liegende Decke aufweist, wobei die Decke einen mittleren Teil in der Form einer planaren Scheibe und eine ringförmige Anschrägung mit einer Krümmung aufweist, die einen glatten Übergang zwischen der Seitenwand und dem Mittelteil der Decke schafft, und daß mindestens ein Teil der Antenne konform auf dem Mittelteil der Decke liegt.