РЕАКТОР ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОДЛОЖЕК В ПЛАЗМЕ СВЧ-ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА Российский патент 1996 года по МПК H01L21/306 

Изобретение относится к планарной технологии интегральных микросхем (ИМС); более узко- к устройствам, используемым для формирования многоуровневой разводки, тренчерной изоляции в операциях литографии, осаждения защитных и изолирующих слоев и т.п. Обработку при этом осуществляют, помещая подложку (или структуру) в реактор, в котором при пониженном давлении реагентов возбуждают плазму. Более распространено возбуждение плазмы высокочастотным (ВЧ) полем радиодиапазона. Возникающие к плазме химически активные частицы вступают в реакции с материалом подложки с образованием летучих соединений при травлении или участвуют в образовании покрытий.

Подвод энергии к газу более эффективен при использовании тока СВЧ диапазона; выявлены и другие преимущества более глубокая переработка продукта (газа), меньшее энергетическое воздействие на обрабатываемую структуру и др.

Задачей изобретения является разработка реактора для осуществления операций литографии и осаждения при использовании энергии СВЧ диапазона, включая решение следующих вопросов:
идентичности обработки всей поверхности подложки (скорость,разрешающая способность);
стабильности количества вводимой в газ энергии при варьировании условий ведения процесса и изменении свойств газа и обрабатываемого изделия; устройство должно содержать регулятор поддержания стабильности ввода энергии.

Известны устройства для проведения указанных выше операций при использовании энергии СВЧ-диапазона. Наиболее близким по техническому решению является реактор, описанный в японском патенте N 53 44795 от 19/П.74, кл. 99(5)С3, H01L 21/302. Это реактор, в котором плазму возбуждают током СВЧ-диапазона.

Реактор прототипа содержит рабочую камеру с устройством для удержания образца. К рабочей камере в направлении образца подведен коаксиальный волновод, по которому подводится энергия СВЧ-диапазона. Конечная часть волновода, примыкающая к рабочей камере, образует разрядную область. Разрядную область охватывает магнитная катушка для формирования внутри разрядной области магнитного поля, перпендикулярного электрическому полю волны. Через разрядную область пропускают плазмообразующий газ.

Конструкция реактора прототипа определяет положение разрядного промежутка, траекторию движения заряженных частиц плазмы, их распределение в рабочей камере и условия обработки плазмой образца.

Кратко они сводятся к следующему.

1. Плазма возбуждается в пространстве между центральным стержнем и наружной стенкой разрядной области.

Вследствие взаимно перпендикулярного направления электрического и магнитного полей (электрическое поле по радиусу, магнитное по оси) заряженные частицы плазмы приобретают тангенциальную составляющую скорости,траектория их движения увеличивается. Предельно благоприятные условия достижения максимальной плотности заряженных частиц наблюдается при достижении режима электронного циклотронного резонанса (ЭЦР).

Аналогичное явление происходит в устройстве по патенту США N 4.1,01.411, ему присущи те же недостатки (см. ниже).

2. Выносимые потоком газа из разрядной область заряженные частицы плазмы (ионы и электроны), имея составляющие скорости в радиальном и боковом направлении, распределены по сечению неравномерно.

Следствием этого являются следующие недостатки. Неравномерная скорость обработки в центре подложки и на ее периферии из-за неравномерного распределения ионов по сечению рабочей камеры и различия в их энергии. Различие в энергии проявляется также в ухудшении качества. При травлении наблюдается искажение профиля обрабатываемой структуры вследствие наличия составляющих скорости движения ионов по радиусу и азимуту подложки. Недостатком является также дополнительная трата энергии в электромагните.

Указанные недостатки являются результатом радиального направления электрического поля (ему свойственна различная напряженность в разных точках радиуса) и наложения на разрядный промежуток магнитного поля (также изменяющегося по радиусу).

Вышеуказанные недостатки устраняются в предлагаемом техническом решении изменением конфигурации разрядного промежутка и размеров элементов его образующих. Это достигается тем, что диаметр стержня равен диаметру рабочего столика и превышает диаметр обрабатываемой подложки, а расстояние между рабочим столиком и концом стержня менее расстояния между корпусом и стержнем.

Плазма возбуждается в этом устройстве между стержнем и рабочим столиком.

Подача энергии в реактор возбуждает в нем бегущую электромагнитную волну E₀₁: магнитные силовые линии образуют концентрические окружности,электрические силовые линии направлены по радиусу, а на свободном конце центрального стержня закорачиваются на рабочий столик. Параллельное расположение торца свободного конца центрального стержня и рабочего столика обеспечивает одинаковую напряженность электрического поля в промежутке между ними и равномерное распределение вводимой в реактор энергии по поверхности подложки. Промежуток между центральным стержнем и столиком является областью разряда (разрядный промежуток). Пробой газа и горение плазмы наблюдается только в разрядном промежутке. Во всем объеме разрядного промежутка концентрация заряженных частиц одинакова (за исключением узкой периферийной зоны). Они следуют направлению силовых линий поля. Эти обстоятельства и определяют равномерное распределение энергии по поверхности подложки.

На чертеже представлена конструкция реактора. Она имеет корпус 1, узел 2 подвода энергии, центральный стержень 3,(свободный конец центрального стержня снабжен распределителем реагентов 4, рабочий столик 5, диафрагму 6, основание реактора 7, регулятор импеданса 8, привод вращения столика 9.

Реактор для обработки подложек в плазме СВЧ тлеющего разряда содержит цилиндрический металлический корпус 1,закрытый с одного торца, а другим торцом подсоединен к основанию 7, соединенному с откачкой вакуумной системой; в корпусе размещены узел подвода энергии 2, система ввода реагентов 4; столик 5, установленный с возможностью вращения от узла 9; стержень 3 (с распределителем реагентов 4), расположенный соосно со стенками корпуса, один конец стержня подсоединен к закрытому торцу корпуса, а другой свободный- находится на определенном расстоянии от рабочего столика, параллельно его поверхности, причем расстояние между рабочим столиком и свободным концом стержня меньше расстояния между корпусом и стержнем, а диаметр стержня равен диаметру рабочего столика и превышает диаметр обрабатываемой подложки; регулятор импеданса 8 предназначен для стабилизации количества вводимой в разрядный промежуток СВЧ-энергии. Таким образом можно отметить, что поставленная задача в сравнении с прототипом достигается иной конфигурацией разрядного промежутка и определенным соотношением размеров деталей и улов реактора. Это создает направленное движение заряженных частиц к подложке и их равномерное распределение по ее поверхности.

Как видно, корпус реактора является наружным проводником, а центральный стержень внутренним проводником коаксиального четвертьволнового резонатора, а в состоянии соединения его с основанием он преобразуется в коаксиальный четвертьволновый резонатор, нагруженный на емкость, каковой является промежуток между противоэлектродом и рабочим столиком. Противоэлектрод, закрепленный на конце центрального стержня, является одновременно распределителем реагентов.

Подача энергии в резонатор сопровождается появлением в газе свободных ионов и электронов, а также электронно-возбужденных атомов и молекул, изменяющих диэлектрическую и магнитную проницаемость газа. Величина изменения их зависит от природы газа, давления и количества возникших в плазме новых частиц, т.е. от мощности, вводимой в разряд. Настройка резонатора, т.е. изменение частоты его собственных колебаний осуществляется соответствующим изменением емкости или индуктивности колебательного контура.

Работа реактора по обеспечению выполнения поставленной задачи состоит в следующем. Подача энергии СВЧ-диапазона сопровождается прохождением поперечной электромагнитной волны вдоль реактора. При этом в реакторе подобно коаксиальному кабелю создаются волны ТЕМ: магнитные силовые линии образуют окружность, электрические силовые линии располагаются по радиусу, а на конце центрального стержня закорачиваются на емкость, образованную противоэлектродом и столиком. По достижении электрическим полем напряженности, достаточной для пробоя газа, находящегося между рабочим столиком и противоэлектродом, происходит возбуждение плазмы. Первоначальный пробой происходит при более высоком напряжении, в последующие полупериоды подачи СВЧ-тока плазма возбуждается при более низком значении подводимого напряжения из-за присутствия в разрядном промежутке остаточной концентрации электронов. Пробой газа и горение плазмы происходит в объеме между рабочим столиком и противоэлектродом из-за меньшего расстояния между ними в сравнении с расстоянием между корпусом и центральным стержнем, а также между противоэлектродом и перфорированной диафрагмой основания.

Параллельное расположение столика и противоэлектрода обеспечивает одинаковую плотность силовых линий по всей их площади, за исключением периферии. Это значит, что на большей части поверхности рабочего столика напряженность электрического поля равномерна, а направлены силовые линии перпендикулярно поверхности подложки, что обеспечивает практически одинаковую плотность плазмы во всем разрядном промежутке и соответственно одинаковую концентрацию химически активных частиц. Взаимодействие их с подложкой с образованием летучих соединений при травлении и деструкция элементоорганических соединений с осаждением минеральной части при формировании пленок происходят равномерно практически по всей поверхности столика.

Как следует из теории электрического поля, его напряженность на краю обкладки плоского конденсатора ниже и зависит она нелинейно от изменения подведенного напряжения. Из этого следует и эксперимент подтверждает, что на периферийной части рабочего столика плотность плазмы и концентрация химически активных частиц ниже. Это принуждает увеличить диаметр рабочего столика и противоэлектрода на величину наблюдаемого искажения поля. Формулировка отличительной особенности разрядного промежутка и предусматривает требование увеличения диаметра рабочего столика и противоэлектрода по сравнению с диаметром подложки. Оно обычно не превышает нескольких процентов.

Выдвинутое требование одинакового диаметра центрального стержня коаксиального резонатора и столика обусловлено желанием сохранения типа волны при прохождении ее по волноводу.

Сказанное подтверждает полное достижение поставленной задачи изобретения и выявляет его преимущества в сравнении с прототипом:
высокую равномерность подвода энергии к поверхности подложки и соответственно равномерность ее обработки;
сохранение стабильности частоты колебательного контура и энерговклада в газ, что обеспечивает наилучшие условия для наработки химически активных частиц;
очевидным преимуществом является также упрощение конструкции за счет отказа от силового электромагнита и более простое управление при выборе режимов обработки.

Были получены результаты эксперимента по травлению щелей в кремнии для тренчерной изоляции и осаждения диэлектрических пленок при формировании двухуровневой разводки интегральных микросхем Эти эксперименты проведены на лабораторном макете реактора на частоте 2,45 ГГц.

В реакторе устойчиво возбуждалась плазма, были проведены эксперименты по удалению фоторезиста, травление щелей в кремнии, осаждение пленок диэлектриков.

Разработанный реактор найдет широкое применение в промышленности ввиду его явных преимуществ в сравнении с используемыми в настоящее время: более высокая производительность и возможность достижения разрешающей способности в десятые доли микрона. Этот реактор проще в изготовлении и наладке в сравнении с реактором прототипа, что позволяет сравнительно быстро наладить выпуск плазмохимических установок для оснащения микроэлектронных производств; выпущенные ранее и действующие установки с реакторами на ЭЦР можно легко модернизировать заменой реакторов с ЭЦР на предлагаемый реактор.

(57) Использование: реактор для обработки подложек в плазме СВЧ тлеющего разряда, обеспечивающий равномерное воздействие плазмы по обрабатываемой площади. Сущность изобретения: в конструкции реактора реализована схема четвертьволнового резонатора,нагруженного на емкость, которая образована рабочим столиком и противоэлектродом, закрепленным на конце центрального стержня. В объеме зарядного промежутка, образованного противоэлектродом и рабочим столиком, создается высокая концентрация химически активных частиц. Заявленный реактор эффективен при формировании щелей в кремниевых подложках для тренчерной изоляции и осаждении пленок диэлектриков в многоуровневой разводке ИС. Диаметр стержня равен диаметру рабочего столика и превышает диаметр обрабатываемой подложки, а расстояние между рабочим столиком и концом стержня меньше расстояния между корпусом и стержнем. 1 ил.

Реактор для обработки подложек в плазме СВЧ-тлеющего разряда, содержащий цилиндрический металлический корпус, закрытый с одного торца, а другим торцом подсоединенный к основанию, связанному с откачкой вакуумной системой, с размещенными в корпусе узлом подвода энергии, системой ввода реагентов, а также установленный на основании с возможностью вращения рабочий столик для крепления подложки, регулятор импеданса, расположенный под столиком, стержень, размещенный соосно стенкам корпуса, один конец которого подсоединен к закрытому торцу корпуса, а другой свободный находится в непосредственной близости от рабочего столика, параллельно его поверхности, отличающийся тем, что диаметр стержня равен диаметру столика и превышает диаметр обрабатываемой подложки, а расстояние между рабочим столиком и концом стержня менее расстояния между корпусом и стержнем.