РЕАКТОР ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОДЛОЖЕК В ПЛАЗМЕ СВЧ-ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА Российский патент 1997 года по МПК H01L21/306 

Устройство относится к планарной технологии интегральных микросхем (ИМС); более узко к устройствам формирования многоуровневой разводки, тренчерной изоляции, в процессах травления материалов, осаждения защитных и изолирующих слоев и т.п. Обработку подложек в этих процессах осуществляют, помещая подложку (или структуру) в реактор, в котором при пониженном давлении в атмосфере фреонов в случае травления, или элементоорганических соединений (ЭОС) тетраэтоксисилана, моносилана, гексаметилдисилазана и т.п. в случае осаждения пленок возбуждают плазму. Деструкция в плазме сложных молекул ведет к появлению химически активных частиц, участвующих в газификации материала структуры при травлении или выделении минеральной части молекул при осаждении.

Основные требования планарной технологии к используемым приемам обработки идентичность режимов для каждой подложки и, соответственно одинаковое качество полученных в результате операции структур по всей поверхности подложки. Для осажденных слоев качество связано с равномерностью толщины и свойств (электрофизических, кристаллофизических), при травлении с размерами элементов ИМС. В любом случае обработки существуют ограничения по энергетическому воздействию плазмы на подложку. С ним связываются искажения в кристалле, стимулированная диффузия, травление поверхностных состояний и др.

Cложность получения удовлетворительного ответа на перечисленные вопросы в форме некой конструкции реактора усугубляется большим разнообразием свойств полупроводников, которые используются для изготовления ИМС (Si, GaAs,), малыми размерами элементов формируемой структуры (1 мкм и менее) и постоянно увеличивающимися размерами обрабатываемых подложек (от 100 мм до 200 мм).

В большей степени удовлетворить требования технологии можно при использовании плазмы СВЧ разряда.

Однако содержащиеся в литературе описания реакторов для обработки подложек в плазме СВЧ разряда [1] не удовлетворяют многим требованиям планарной технологии ИМС.

Задачей изобретения являлась разработка реактора для осуществления указанных выше процессов производства ИМС при использовании СВЧ тлеющего разряда, включая решение следующих вопросов:
1. Идентичность условий обработки всей поверхности подложки скорости процесса (травления, осаждения) и энергетического воздействия на структуру.

2. Повышение разрешающей способности процесса.

Идея конструкции реактора, в котором достигнуто удовлетворительное решение поставленной задачи, основано на использовании полого резонатора. В качестве прототипа взят реактор по патенту США N 4160690 [2]
Анализируя особенности устройства и работы реактора, можно отметить следующее. Максимальная мощность, передаваемая газу, может быть достигнута при возбуждении в резонаторе поперечной электрической волны (ТЕ₁₀). Продувка газа через реторту, помещенную в сгущении электрических силовых линий резонатора, обеспечивает глубокую деструкцию реагента и наработку высокой концентрации химически активных частиц. Продукты деструкции реагента, в том числе химически активные частицы, ионы, электроны и др. на выходе из реторты обдувают подложку, подвергаемую обработке. Подложка расположена перпендикулярно потоку газа.

Данному реактору присущи следующие существенные недостатки.

1. Различная концентрация реагирующих частиц по сечению газового потока ведет к тому, что скорость процесса в центре подложки и на периферии различна. Различие в концентрации химически активных частиц в центре потока газа и на его периферии связано с двумя причинами:
а) наработка этих частиц по оси реторты происходит с большей скоростью - в соответствии с характером распределения электрического поля волны;
б) в периферийных слоях потока наблюдается более высокая скорость дезактивации и рекомбинации и соответственно большие потери химически активных частиц. Следствием этого является указанное различие в скорости обработки в центре и на периферии подложки.

2. Тангенциальное направление потока газа относительно подложки способствует искажению топологии компонентов структуры ИМС и уменьшению разрешающей способности.

Техническим результатом изобретения является устранение указанных недостатков в соответствии с необходимостью выполнения следующих положений.

1. Увеличение равномерности обработки подложки. Равномерность обработки связана с необходимостью выравнивания концентрации химически активных частиц во всем объеме плазмы, соприкасающейся с подложкой. Это достигается выполнением следующих условий: а) равномерным распределением энергии СВЧ поля по поверхности подложки; б) последовательным прохождением всех областей подложки под потоком газа реагента, подаваемого в реактор, при вращении столика, на котором укреплена подложка.

2. Направленное движение к подложке участвующих в реакции частиц достигается за счет стабилизации траектории движения зараженных частиц по нормали к поверхности подложки электрическим полем, которое возникает между столиками и противоэлектродом.

Равномерное распределение энергии обеспечивается тем, что силовые линии электрического поля волны направлены поперек резонатора, перпендикулярно подложке, а их густота одинакова между рабочим столиком и противоэлектродом на всей их протяженности (в поперечном сечении резонатора). Конструктивно это обеспечивается тем, что от места ввода энергии на расстоянии, кратком полуволне электромагнитных колебаний, в резонаторе размещены два выступа: один из выступов содержит полость, в которую входит рабочий столик, а второй, противолежащий, имеет фасонную выемку.

Как можно понять, эта особенность резонатора сообщает ему свойства ребристого волновода Н-образного сечения ребрами служат столик и противоэлектрод. Противоэлектрод имеет в поперечном сечении выемку для выравнивания напряженности поля между рабочим столиком и противоэлектродом, которые образуют разрядный промежуток. Выступы расположены в центре резонатора и при волне ТЕ₁₀ создают сосредоточенную емкость с площадью, которая соответствует размерам столика.

Можно видеть, что в данном реакторе реализована схема, используемая в широко распространенных реакторах с ВЧ конденсаторным разрядом с плоскими электродами, но при этом учтены особенности распространения энергии СВЧ диапазона.

Конструкция реактора поясняется чертежом. На чертеже: 1 вакуумная откачная камера; 2 резонатор; 3 рабочий столик; 4 противоэлектрод; 5 - распределитель реагентов; 6 поршень (два, по одному на каждом конце резонатора); 7 узел регулировки положения поршня; 8 узел ввода энергии; 9 окна для откачки продуктов реакции.

В вакуумной откачиваемой камере 1 помещен резонатор 2. На основании вакуумной камеры установлен рабочий столик 3, он входит в полость выступа резонатора, образуя одно из ребер Н-образного резонатора. Столик вращается, но на чертеже узел вращения столика условно не показан. Вторым ребром Н-образного резонатора служит противоэлектрод 4. Вблизи столика размещен распределитель реагентов 5. Поршень 6 предназначен для обеспечения состояния резонанса, его перемещение обеспечивается узлом регулировки 7. На чертеже обозначены также узел ввода энергии 8 и окна для откачки продуктов реакции 9. Пространство между рабочим столиком и противоэлектродом является разрядным промежутком, в котором возбуждается плазма. При возбуждении плазмы свойства газа разрядного промежутка изменяются.

Изменение свойств газа, находящегося в разрядном промежутке, влекущее за собой изменение собственной частоты колебаний резонатора, отражается на величине энергии, вводимой в разряд. Соответствующее изменение положения поршня приведет систему в состояние резонанса.

Под изменением свойств газа понимается, в основном, следующее:
уменьшение диэлектрической проницаемости газа за счет появления в разрядном промежутке свободных электронов;
возрастание магнитной проницаемости газа за счет накопления в разрядном промежутке электронно-возбужденных атомов и молекул.

Работа реактора по обеспечению выполнения поставленной цели состоит в следующем. Подача энергии СВЧ диапазона сопровождается прохождением поперечной электрической волны вдоль реактора (В реакторе возбуждается волна ТЕ₁₀). Пробой газа происходит в области более высокой напряженности электрического поля, т.е. между рабочим столиком и противоэлектродом вследствие меньшего расстояния между ними, чем в остальной части резонатора.

В описанной конструкции разрядного промежутка создается одинаковая напряженность электрического поля на всей поверхности рабочего столика, а силовые линии поля направлены перпендикулярно поверхности подложки. Все это обеспечивает практически одинаковую плотность плазмы по всей поверхности подложки и, соответственно, одинаковую концентрацию химически активных частиц. Взаимодействие их с подложкой с образованием летучих соединений при травлении и деструкции ЭОС с осаждением минеральной части при формировании пленок происходят равномерно практически по всей поверхности подложки.

Изложенное подтверждает полное достижение поставленной цели изобретения и выявляет его существенные преимущества в сравнении с прототипом.

1. Высокая равномерность распределения по подложке подводимой энергии обеспечивает идентичность условий обработки всей поверхности подложки.

2. Направленное движение заряженных частиц вдоль силовых линий электрического поля, направление которых перпендикулярно поверхности подложек, обеспечивает высокую разрешающую способность с размером линий до десятых долей микрона и менее.

Опытная проверка идей, положенных в основу изобретения, осуществлялась на макетном образце реактора. Она включала операцию осаждения пленок диоксида кремния из газовой смеси тетраэтоксисилана и кислорода и операцию травления алюминиевой пленки в плазме газовой смеси тетрахлорида углерода и азота. Протоколы проведенных экспериментов прилагаются.

Разработанный реактор найдет широкое применение в промышленности ввиду явных его преимуществ в сравнении с используемыми в настоящее время: более высокая производительность при обеспечении за счет малого уровня энергии частиц, участвующих в реакциях. Этот реактор прост в изготовлении и наладке. Многие действующие вакуумные установки, подвергнутые минимальной модернизации за счет установки резонатора, могут быть применены в технологии.

Использование: микроэлектроника, планарная технология интегральных схем. Сущность изобретения: реактор для обработки подложек в плазме СВЧ тлеющего разряда представляет собой вакуумную камеру, в которой помещены полый резонатор, рабочий столик, узлы подвода энергии, подачи реагентов и откачки продуктов реакции. В резонаторе от места ввода энергии в него на расстоянии, кратном полуволне, размещены два выступа, один из которых содержит полость с размещенным в ней рабочим столиком, а второй, противолежащий, имеет фасонную выемку. 1 ил.

Реактор для обработки подложек в плазме СВЧ тлеющего разряда, редставляющий собой вакуумную камеру, в которой помещен полый резонатор с узлом подвода энергии, рабочий столик, узлы подачи реагентов и откачки продуктов реакции, отличающийся тем, что в полом резонаторе от места ввода энергии в него на расстоянии, кратном полуволне, размещены два выступа, один из которых содержит полость с размещенным в ней рабочим столиком, а другой, противолежащий, имеет фасонную выемку.