РЕАКТОР ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР Российский патент 1999 года по МПК H01L21/3065 

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к реакторам для высокоплотной и высокочастотной плазменной обработки полупроводниковых структур.

При создании современных СБИС выявилась одна из основных проблем, препятствующих дальнейшему снижению размеров элементов до 0,5-0,25 мкм. Это ограничения существующей плазмохимической технологии и оборудования по воспроизведению таких элементов с приемлемыми характеристиками. Применительно к указанным выше размерам элементов требуемые технологические параметры могут быть получены лишь при одновременном сочетании таких несовместимых для традиционных плазмохимических реакторов характеристик, как высокая плотность ионного тока (1-10 мА/см²) и низкая энергия ионов (20-50 эВ). Существующие плазмохимические реакторы в подавляющем большинстве своем обеспечивают лишь на один - два порядка меньшую плотность ионного тока при соответственно большей, до 1000 эВ, энергии ионов. Попытки снижения энергии ионов за счет уменьшения мощности разряда приводят к резкому снижению скорости травления так же, как и попытки увеличения анизотропии путем снижения рабочего давления.

Общепризнано, что трудность работы с ВЧ-источниками при низком давлении заключается в быстром падении ионной плотности при снижении давления. Это, в свою очередь, вызывает снижение скорости травления и производительность. Увеличение мощности или напряжения смещения на пластине ведет к увеличению скорости травления, но при этом возникают проблемы с высокоэнергетическими ионами из-за повышенного дефектообразования в полупроводниковых структурах. Преимуществом работы при низком давлении является высокая анизотропия, позволяющая воспроизводить субмикронные размеры, а также "чистота" процесса, так как при низком давлении продукты реакции травления более летучи и легко удаляются, сводя к минимуму образование загрязняющих частиц и выпадение осадков. Таким образом, плазмохимический реактор для современной технологии СБИС должен обеспечивать весьма высокую плотность плазмы при очень низком давлении.

К таким реакторам относятся реакторы на основе электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) [1]. Для усовершенствования плазменных ЭЦР техпроцессов имеются большие возможности. Однако при промышленном использовании реакторы на ЭЦР проигрывают из-за высокой стоимости, так как они могут быть в три раза дороже обычных плазменных реакторов.

Наиболее близким к заявляемому является реактор для плазменной обработки полупроводниковых структур, содержащий камеру с системой подвода и отвода газа, подложкодержатель, установленный в основании камеры с возможностью подачи на него потенциала смещения, и систему генерации плазмы, состоящую из спирального индуктора и системы согласования для соединения спирального индуктора с ВЧ-генератором, в верхней части корпуса камеры выполнено окно, закрытое диэлектрическим экраном, над которым размещен спиральный индуктор [2]. В известном реакторе из-за несовершенства системы согласования оказываются несогласованными плазма основного разряда и плазма разряда, связанная с подачей на подложку смещения, обеспечивается недостаточная однородность горения разряда, имеется вероятность возникновения паразитных разрядов в области подложки при подаче на нее смещения.

Техническим результатом изобретения является улучшение согласования генератора, импеданса реактора и системы подачи смещения на подложку, повышение однородности горения разряда, снижение вероятности возникновения паразитных разрядов в области подложки при подаче на нее смещения, обеспечение более точного регулирования величины подаваемого на подложку смещения. В совокупности это приведет к более плавному управлению параметрами процесса, скоростью, анизотропией, селективностью и равномерностью во всем диапазоне рабочих давлений от 0,1 до 100 Па. При этом плазма основного разряда и плазма разряда, связанная с подачей на подложку смещения, оказываются самосогласованными.

Указанный технический результат достигается тем, что в реакторе для плазменной обработки полупроводниковых структур, содержащем камеру с системой подвода и отвода газа, подложкодержатель, установленный в основании камеры с возможностью подачи на него потенциала смещения и систему генерации плазмы, состоящую из спирального индуктора, расположенного над диэлектрическим экраном, и системы согласования для соединения спирального индуктора с ВЧ-генератором, система согласования содержит трансформатор с ферритовым сердечником, индуктивность и емкость, причем емкость соединена параллельно со спиральным индуктором, а для подачи потенциала смещения на подложкодержатель использована цепочка из дополнительных индуктивности и емкости, подсоединенная к системе согласования. Кроме того, спиральный индуктор может быть выполнен в виде двух плоских секций, основной и дополнительной, причем дополнительная секция расположена над основной, имеет меньший внешний диаметр и включена навстречу основной. Спиральный индуктор может быть выполнен в виде двух плоских секций, основной и дополнительной, причем дополнительная секция расположена над основной, имеет внешний диаметр, равный внешнему диаметру основной секции, и включена последовательно с основной. Центральные витки спирального индуктора могут быть расположены на большем расстоянии от диэлектрического экрана, чем периферические. Цепочка из дополнительных индуктивности и емкости может быть подсоединена к системе согласования к одному из концов спирального индуктора или к первичной обмотке трансформатора.

Принцип реализации заявленного реактора схематично изображен на фиг. 1. Реактор имеет окно 1 в верхней части корпуса камеры. Диэлектрический кварцевый экран 2 расположен в окне и отсекает внутренний объем рабочей камеры, но при этом позволяет магнитному полю, которое создается спиральным индуктором 4 проникать через него в зону возбуждения плазмы. Спиральный индуктор размещается в пределах и вблизи диэлектрического экрана. Индуктор представляет собой спираль, изготовленную из медной трубки диаметром порядка 6 мм и имеющую центральный и внешний выводы. Наружный диаметр катушки составляет порядка 150 мм. Количество витков спирали n=5, расстояние между витками l=14 мм. Витки катушки в данном случае располагаются параллельно как диэлектрическому экрану, так и подложкодержателю 5. При таком размещении катушка создает однородную плазму внутри объема рабочей камеры. Расстояние между катушкой и поверхностью подложкодержателя d=60 мм. Спиральный индуктор может быть выполнен в виде двух плоских секций, расположенных одна над другой. При этом внешние диаметры этих секций могут быть равны либо внешний диаметр верхней секции меньше внешнего диаметра секции, расположенной снизу. Также витки индуктора могут быть расположены на разном расстоянии от экрана. Для улучшения теплоотвода от обрабатываемой подложки предусмотрено водяное охлаждение подложкодержателя и подача газообразного гелия в промежуток между подложкодержателем и подложкой. Рабочая смесь газов подается во внутренний объем реактора через отверстие в боковой стенке. Для увеличения равномерности газораспределения во внутреннем объеме реактора используется разделительное кольцо 3, размещенное около подложкодержателя. Конфигурация разделительного кольца такова, что от внутреннего кольцевого паза к центру кольца сформировано множество отверстий диаметром d₁=1 мм. Это позволяет поступающему в рабочий объем реакционному газу равномерно распределяться в области подложкодержателя. Вакуумная откачка из внутреннего объема рабочей камеры осуществляется из бокового отверстия реактора с помощью механического и турбомолекулярного насосов, обеспечивающих предельное рабочее давление P=1-2 Па.

На фиг. 2 показана система питания планарной катушки от ВЧ-генератора. Рабочая частота ВЧ-генератора f=13,56 МГц. Выход генератора подсоединяется с помощью коаксиального кабеля к развязывающей цепи. Развязывающая цепь состоит из трансформатора Тр.1, позволяющего устранить емкостную составляющую в плазменном разряде и, таким образом, обеспечить только индуктивный разряд. Устройство согласования, состоящее из индуктивности (L1) и переменной емкости (C1), служит для согласования резонансной частоты цепи с частотным выходом ВЧ-генератора. Также предусмотрена система смещения потенциала подложки (L2 и C2) с помощью подачи ВЧ-потенциала к планарной катушке и подложкодержателю. Запитываясь от системы, показанной на фиг. 2, планарная катушка вызывает магнитное поле, проникающее через диэлектрический экран. Внутри рабочего объема магнитное поле может быть представлено как векторная сумма магнитного поля планарной катушки и магнитного поля, вызванного электронным потоком в плазме. Так как магнитное поле плазмы противодействует магнитному полю планарной катушки, то для однородности результирующего магнитного поля требуется, чтобы магнитное поле катушки было более интенсивно по направлению к центру. Спиральная форма катушки удовлетворяет этому требованию и обеспечивает однородное результирующее магнитное поле и, как следствие этого, однородную плазму. Так, была получена плотность ионного тока порядка 4 мА/см² при мощности ВЧ-разряда W= 400 Вт, U_см= -80 В и давлении Ar плазмы P= 1 Па. При травлении SiO₂ получены скорости травления v_тр. = 0,4 мкм/мин при мощности W= 400 Вт, давлении P = 1,5 Па и v_тр. = 0,6 мкм/мин при той же мощности и давлении P = 50 Па. Однородность травления по пластине диаметром 100 мм была не хуже 97%.

Разработанная система согласования для соединения спирального индуктора с ВЧ-генератором, а также схема подачи смещения на подложку в реакторе данной конструкции обеспечивает получение указанного выше технического результата.

Источники
1. H. Kimura et al. Highly selective contact hole etching using ECR plasma. Jpn.J.Appl.Phys. Vol.34(1995), p.2114-2118.

2. US 4948458 A, H 01 L 21/306, 1990.

Использование: микроэлектроника. Сущность изобретения: реактор для плазменной обработки полупроводниковых структур содержит камеру с системой подвода и отвода газа, подложкодержатель, установленный в основании камеры с возможностью подачи на него потенциала смещения, и систему генерации плазмы, состоящую из спирального индуктора, расположенного над диэлектрическим экраном, и системы согласования для соединения спирального индуктора с ВЧ-генератором. Система согласования содержит трансформатор с ферритовым сердечником, индуктивность и емкость, причем емкость соединена параллельно со спиральным индуктором, а для подачи потенциала смещения на подложкодержатель использована цепочка из дополнительных индуктивности и емкости, подсоединенная к системе согласования. Кроме того, спиральный индуктор может быть выполнен в виде двух плоских секций, основной и дополнительной, причем дополнительная секция расположена над основной, имеет меньший внешний диаметр и включена навстречу основной. Спиральный индуктор может быть выполнен в виде двух плоских секций, основной и дополнительной, причем дополнительная секция расположена над основной и имеет внешний диаметр, равный внешнему диаметру основной секции, и включена последовательно с основной. Центральные витки спирального индуктора могут быть расположены на большем расстоянии от диэлектрического экрана, чем периферийные. Цепочка из дополнительных индуктивности и емкости может быть подсоединена к системе согласования к одному из концов спирального индуктора или к первичной обмотке трансформатора. Техническим результатом изобретения является улучшение согласования генератора, импеданса реактора и системы подачи смещения на подложку, повышение однородности горения разряда, снижение вероятности возникновения паразитных разрядов в области подложки при подаче на нее смещения, обеспечение более точного регулирования величины подаваемого на подложку смещения. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Реактор для плазменной обработки полупроводниковых структур, содержащий камеру с системой подвода и отвода газа, подложкодержатель, установленный в основании камеры с возможностью подачи на него потенциала смещения, и систему генерации плазмы, состоящую из спирального индуктора и системы согласования для соединения спирального индуктора с ВЧ-генератором, в верхней части камеры выполнено окно, закрытое диэлектрическим экраном, над которым размещен спиральный индуктор, отличающийся тем, что система согласования содержит трансформатор с ферритовым сердечником, индуктивность и емкость, причем емкость соединена параллельно со спиральным индуктором, а для подачи потенциала смещения на подложкодержатель использована цепочка из дополнительных индуктивности и емкости, подсоединенная к системе согласования. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что спиральный индуктор выполнен в виде двух плоских секций, основной и дополнительной, причем дополнительная секция расположена над основной, имеет меньший внешний диаметр и включена навстречу основной. 3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что спиральный индуктор выполнен в виде двух плоских секций, основной и дополнительной, причем дополнительная секция расположена над основной, имеет внешний диаметр, равный внешнему диаметру основной секции, и включена последовательно с основной. 4. Реактор по п.1, отличающийся тем, что центральные витки спирального индуктора расположены на большем расстоянии от диэлектрического экрана, чем периферические. 5. Реактор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что цепочка из дополнительных индуктивности и емкости может быть подсоединена к системе согласования к одному из концов спирального индуктора или к первичной обмотке трансформатора.