DE3102174A1

DE3102174A1 - Plasmareaktionsvorrichtung zur behandlung von halbleitern u.dgl.

Info

Publication number: DE3102174A1
Application number: DE19813102174
Authority: DE
Inventors: Shigeji Itami Hyogo Kinoshita
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1980-01-25
Filing date: 1981-01-23
Publication date: 1981-12-10
Also published as: DE3102174C2; JPS601952B2; JPS56105482A; US4358686A

Description

Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte

■ Registered Representatives

. L. before the

European Patent Office

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, Möhlstraße 37

Tokio, Japan D-8000München 80

Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid

FAM-4878

23. Jan. 1981

Plasmareaktionsvorrichtung zur Behandlung von Halbleitern und dgl.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Plasmareaktionsvorrichtungen und betrifft insbesondere eine derartige Vorrichtung für das Plasmaätzen, die Plasmaablagerung, Plasmaveredelung usw. unter Verwendung von zylindrischen, konzentrischen Elektroden.

Plasmareaktionsverfahren werden bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen verbreitet angewandt, z.B. für das Ätzen, die Ablagerung bzw. Abscheidung und Veredelung (refining) an Halbleiterplättchen. Es sind Plasmareaktionsvorrichtungen mit einer zylindrischen Reaktionskammer bekannt, um die herum eine äußere Elektrode angeordnet ist und in welcher sich eine zylindrische Innenelektrode mit durchgehenden Plasmadiffusions-Bohrungen befindet. Bei diesen Vorrichtungen sind diese Bohrungen mit jeweils gleicher Querschnittsform und Querschnittsfläche gleichmäßig um die Innenelektrode herum verteilt.

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Bei diesen bisherigen Vorrichtungen ist die Reaktionskammer mit einer Vakuumpumpe verbunden, und ein Arbeitsgas wird über einen Sockel mit Einlassen in die Reaktionskammer eingeleitet. Im Inneren der Reaktionskammer befindet sich eine Bühne zur Aufnahme eines Werkstücks im Raum innerhalb der Innenelektrode, um eine unbedeckte Oberfläche des Werkstücks mit einem Plasma aus dem Arbeitsgas behandeln zu können. Das Plasma wird durch Anregung des Arbeitsgases mittels einer von einer Hochspannungsquelle her über die Elektroden angelegten Hochspannung erzeugt.

Mit diesen bisherigen Plasmareaktionsvorrichtungen läßt sich jedoch keine gleichmäßige Plasmakonzentration über die Oberfläche eines zu behandelnden Werkstücks hinweg erreichen. Dies beruht auf der Unmöglichkeit einer genauen Steuerung der Plasmagleichförmigkeit in der Reaktionskammer aufgrund des Plasmadiffusionsmechanismus der in der Innenelektrode vorgesehenen durchgehenden Bohrungen.

Als Folge dieses Problems werden beispielsweise keine gleichmäßigen Reaktionsgeschwindigkeiten oder -grade, keine gleichmäßige Oberflächenbehandlung, etwa gleichmäßige Ätzgeschwindigkeiten oder -grade, usw. erreicht.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung einer Plasmareaktionsvorrichtung, bei welcher sich die Reaktionsgeschwindigkeit oder Behandlungsgleichmäßigkeit über eine Vierkstückoberflache hinweg nicht ändert und mit welcher innerhalb eines weiten Bereichs von Reaktionsgasdrücken innerhalb der Vorrichtung eine Behandlung der Werkstückoberfläche mit genauer Musterausbildung durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

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Insbesondere besitzt erfindungsgemäß eine Innenelektrode einer Plasmareaktionsvorrichtung in Abhängigkeit von der Entfernung vom Werkstück eine sich ändernde Durchlässigkeit bzw. ein sich änderndes Öffnungs-Oberflächen-Verhältnis (berechnet durch Dividieren der Gesamtquerschnittsfläche der Bohrungen durch die restliche Oberfläche der Elektroden, abzüglich der Bohrungsfläche, ausgedrückt als Flächeneinheit der Innenelektrode).

Erfindungsgemäß sind bei einer Plasmareaktionsvorrichtung, bei welcher hohlzylindrische Elektroden konzentrisch im Inneren und an der Außenseite einer zylindrischen Reaktionskammer angeordnet sind und innerhalb der Innenelektrode eine Werkstück-Bühne vorgesehen ist, durchgehende Plasmadiffusions-Bohrungen in der Innenelektrode in solcher Anordnung vorhanden, daß sich die Durchlässigkeit für das Plasma bzw. das Öffnungs-Oberflächen-Verhältnis mit zunehmendem Abstand vom Werkstück vergrößert.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer bisherigen Plasmareaktionsvorrichtung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung von Kennlinien bezüglich des Ätzens von polykristallinem Silizium zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht einer Plasmareaktionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine Fig. 2 entsprechende graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 3 und

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Fig_. 5 bis 7 Teilansichten abgewandelter Innenelektroden gemäß der Erfindung.

Eine bisherige Plasmareaktionsvorrichtung zum Ätzen von Halbleiter-Plättchen besitzt typischerweise den Aufbau gemäß Fig. 1. Diese Vorrichtung umfaßt eine Basis bzw. einen Sockel 10 aus einem zweckmäßigen Isoliermaterial und ein glockenförmiges Gehäuse 12, das unter Herstellung einer luftdichten Abdichtung abnehmbar auf den Sockel 10 aufgesetzt ist und welches aus Quarz besteht und eine im wesentlichen zylindrische, durch den Sockel 10 verschlossene Reaktionskammer festlegt. Letztere ist über eine im oberen Mittelbereich des Gehäuses 12 vorgesehene Absaugöffnung 16 mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe verbindbar. Die Reaktionskammer 14 ist zudem mit einem nicht dargestellten Vorrat eines Arbeitsgases, wie CF.-Gas, über im Sockel 10 ausgebildete Einlasse 18 verbindbar. Der Sockel 10 trägt auf seiner Innenfläche eine Werkstück-Bühne 20, auf welche ein Werkstück 22, etwa ein zu ätzendes Halbleiter-Plättchen, auflegbar ist.

Diese bisherige Plasmareaktionsvorrichtung weist weiterhin zwei konzentrisch angeordnete, hohlzylindrische Elektroden 24 und 26 auf, die an der Außenseite bzw. im Inneren der Reaktionskammer 14 angeordnet sind. Die äußere Elektrode ist an der Außenfläche des Gehäuses 12 so gehaltert, daß die Elektrode 24 die Reaktionskaituner an ihrer Außenseite konzentrisch umschließt. Die Innenelektrode 26 ruht auf dem isolierenden Sockel 10 innerhalb der Reaktionskammer 14 mit Einwärtsabstand von den Innenflächen und in konzentrischer Anordnung zur äußeren Elektrode 24. Die Innenelektrode 26 ist aus noch zu erläuternden Gründen mit einer Vielzahl von durchgehenden Bohrungen 30 versehen.

Es ist zu beachten, daß die Bohrungen 30 im wesentlichen gleichmäßig über die Gesamtoberfläche der Innenelektrode verteilt sind und jeweils gleich große Querschnittsflächen

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besitzen (typischerweise 5 mm Durchmesser). Mit anderen Worten: das Öffnungs-Oberflächen-Verhältnis der Innenelektrode 26 (d.h. das Verhältnis von Gesamtquerschnittsfläche der Bohrungen und Oberfläche der Innenelektrode, abzüglich der Bohrungsfläche, ausgedrückt als Flächeneinheit der Elektrode) ist über die gesamte Elektrodenoberfläche hinweg gleichbleibend.

Bei einem Ätzvorgang wird die Reaktionskammer 14 über den Absaugauslaß 16 mittels der nicht dargestellten Vakuumpumpe evakuiert, während gleichzeitig ein Ätzgas, wie CF.-Gas, über die Einlasse 18 in den Ringraum innerhalb der Reaktionskammer 14 eingeleitet wird, wobei das Innere der Reaktionskammer 14 auf einem vergleichsweise niedrigen Druck gehalten wird. Von einer Hochfrequenz-Stromquelle 32 her wird elektrische Hochfrequenzenergie an die Elektroden 24 und 26 angelegt. Hierbei tritt eine Hochfrequenzentladung zwischen Innenelektrode 26 und äußerer Elektrode 24 auf, wodurch das Arbeitsgas angeregt und im Ringraum der Reaktionskammer 14 ein Plasma erzeugt wird. Das auf der Bühne 20 befindliche Werkstück wird dabei durch aktive Reste oder Radikale (radicals) in dem Plasma geätzt, das durch die Bohrungen 30 hindurch diffundiert und das Werkstück 22 erreicht.

Dieses Ätzreagens wird allgemein als im wesentlichen die neutrale aktive Komponente (Reste bzw. Radikale) im genannten Plasma betrachtet. Es wird angenommen, daß dieses Ätzreagens zwischen den Elektroden 24 und 26 entsteht und das außerhalb des Entstehungsbereichs befindliche Werkstück 22 mittels eines Gasdiffusionsmechanismus erreicht, der durch die Bohrungen 30 in der Innenelektrode 26 hervorgerufen wird. Die aktive Lebensdauer dieser Radikale ist begrenzt und variiert mit dem Ätzgasdruck.

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Bei dieser bisherigen Plasmaätzvorrichtung wurde beispielsweise die Beziehung zwischen der Ätzgeschwindigkeit oder dem Ätzgrad und dem Ätzgasdruck beim Ätzen einer polykristallinen Siliziumschicht auf dem Plättchen mit CF,-Gas untersucht. Dabei zeigte es sich, daß zur Erhöhung der Ätzgeschwindigkeit der Ätzgasdruck erhöht werden muß, was jedoch zu einer Verschlechterung der Gleichmäßigkeit des Ätzgrads über das Plättchen hinweg führt, wie dies in Fig. 2 veranschaulicht ist, gemäß welcher die Ätzgrade im Mittelbereich (Kurve 3 4) und im Randbereich (Kurve 36) des Plättchens beträchtlich voneinander abweichen. Bei hohem Ätzgasdruck ist die mittlere freie Auswanderung oder Verbreitung der Radikale gering, so daß die Dichte der Radikale im Randbereich des Plättchens ziemlich groß ist und damit auch der Ätzgrad ansteigt. Infolgedessen wird keine gleichmäßige Ätztiefe über das Plättchen hinweg erreicht. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit muß daher der Ätzgasdruck genau geregelt werden.

Im folgenden sind nun spezielle Ausfuhrungsformen der Erfindung anhand der Fig. 3 bis 7 erläutert. Eine Plasmareaktionsvorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt eine Innenelektrode 38 innerhalb einer Reaktionskaitimer 14", die durch eine Glocke bzw. ein Gehäuse 12' und einen Sockel 10* festgelegt wird. Ersichtlicherweise unterscheidet sich die Innenelektrode 38 der erfindungsgemäßen Vorrichtung von der bisherigen Innenelektrode 26 gemäß Fig. 1 nur durch die Anordnung der durchgehenden Plasmadiffusions-Bohrungen, während die anderen Teile dieser Vorrichtung im wesentlichen den Teilen von Fig. 1 entsprechen und daher mit denselben Bezugsziffern wie vorher, aber mit angehängtem Indexstrich bezeichnet sind.

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Bei der erfindungsgemäßen Plasmareaktionsvorrichtung ist die Innenelektrode 38 mit einer Vielzahl von durchgehenden Plasmadiffusions-Bohrungen 40 und 42 versehen/ über welche das im Ringraum zwischen den Elektroden 24' und 38 sowie in der Reaktionskammer 14' erzeugte Plasma in den Mittelbereich eintreten kann, in welchem sich das Werkstück 22' befindet. Hierbei besitzen die im Oberteil, d.h. in dem weiter vom Werkstück 22' auf der Bühne 20' entfernten Teil der Innenelektrode 38 vorgesehenen Bohrungen 40 einen vergleichsweise großen Durchmesser von 5 mm, während die Bohrungen 42 im unteren, dichter am Werkstück 22' liegenden Teil der Innenelektrode 38 einen vergleichsweise kleinen Durchmesser von 1 mm besitzen. Der Mittenabstand zwischen den Bohrungen 40 und 42 ist über die gesamte Innenelektrode 38 hinweg gleichbleibend.

Die Innenelektrode 38 der erfindungsgemäßen Plasmareaktionsvorrichtung besitzt somit in einem vom Werkstück 22' auf der Bühne 20' vergleichsweise weiter entfernten Bereich eine vergleichsweise große Plasma-Durchlässigkeit bzw. ein vergleichsweise großes Öffnungs-Oberflächen-Verhältnis und in einem näher am Werkstück 22' gelegenen Bereich eine vergleichsweise geringe Plasma-Durchlässigkeit bzw. ein vergleichsweise kleines Öffnungs-Oberflächen-Verhältnis. Das Größenverhältnis zwischen den größeren und den kleineren Bohrungen 40 bzw. 42 ist so zu wählen, daß die Plasmakonzentration auf der Gesamtoberfläche des Werkstücks im wesentlichen gleichmäßig ist.

Der Grund dafür, weshalb die Plasmakonzentration auf dem Werkstück durch das speziell gewählte Öffnungs-Oberflächen-Verhältnis der Innenelektrode 38 gleichmäßig gehalten werden kann, wird darin gesehen, daß, während das im ringförmigen Plasmaentstehungsraum erzeugte Plasma in diesem Raum eine im wesentlichen gleichmäßige Dichte besitzt, die Dichte der Radikale unmittelbar innerhalb der Innenelektrode 38 durch deren sich änderndes Öffnungs-Oberflächen-Verhältnis

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so gesteuert wird, daß sie im unteren Bereich vergleichsweise niedrig und im oberen Bereich vergleichsweise hoch ist, und daß die im unteren Bereich der Innenelektrode 38 in niedrigerer Dichte vorliegenden Radikale das Werkstück wegen der kürzeren zurückzulegenden Strecke ohne stärkere Verdünnung erreichen, während die im oberen Bereich der Innenelektrode 38 in höherer Dichte vorliegenden Radikale aufgrund der längeren Bewegungsstrecke und -zeit das Werkstück 22' erst nach stärkerer Verdünnung erreichen.

Fig. 4 veranschaulicht die Ergebnisse eines Versuchs, bei dem die erfindungsgemäße Plasmareaktionsvorrichtung für das Ätzen einer polykristallinen Siliziumschicht eingesetzt wurde. Gemäß Fig. 4 ist der Unterschied zwischen dem Ätzgrad im Mittelbereich (Kurve 44) und demjenigen im Randbereich (Kurve 46) des Plättchens im Vergleich zum Ätzgradunterschied bei der bisherigen Vorrichtung gemäß Fig. 2 erheblich verkleinert. Die Kurven 44 und 46 zeigen außerdem, daß die Ätzgrade über einen ziemlich weiten Druckbereich hinweg konstant sind.

Die Fig. 5 bis 7 veranschaulichen andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Innenelektrode. Die Innenelektrode gemäß Fig. 5 weist eine Vielzahl von rechteckigen Plasmadiffusions-Bohrungen 50 und 52 auf, von denen die oberen Bohrungen 50 einen größeren Querschnitt besitzen als die unteren Bohrungen 52. Die Innenelektrode 54 gemäß Fig. 6 besteht aus einem Metallgitter, das im oberen Bereich rechteckige Öffnungen bzw. Maschen 56 besitzt, die größer sind als rechteckige Öffnungen bzw. Maschen 58 im unteren Bereich. Die Innenelektrode 60 gemäß Fig. 7 ist dagegen im oberen Bereich mit kreisförmigen Bohrungen 62 versehen, während sie in ihrem unteren Bereich keine Bohrungen aufweist. Bei dieser letzteren Ausführungsform kann das Öffnungs-Oberflächen-Verhältnis im unteren, vergleichsweise dicht am Werkstück gelegenen Teil der Innenelektrode als Null betragend angesehen werden.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Plasmareaktionsvorrichtung zur Behandlung von Halbleitern und dgl- Werkstücken, mit einer Einrichtung, die eine mit einem Vorrat eines Arbeitsgases zur Behandlung des Werkstücks verbindbare zylindrische Reaktionskammer festlegt, einer die Außenfläche der Reaktionskammer umschließenden, zylindrischen äußeren Elektrode, einer im Inneren der Reaktionskammer mit Abstand von ihren Innenflächen angeordneten zylindrischen Innenelektrode, einer innerhalb der Innenelektrode angeordneten Werkstück-Bühne zur Aufnahme eines zu behandelnden Werkstücks und einer Hochfrequenz-Spannungsquelle, die an die Elektroden angeschlossen ist und an diese eine Hochfrequenzspannung anzulegen vermag, um das Arbeitsgas in der Reaktions-

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kammer zur Erzeugung eines Plasmas zwischen den Elektroden anzuregen, dadurch gekennzeichnet , daß die Innenelektrode (38, 48, 54 oder 60) eine Vielzahl von durchgehenden Plasmadiffusions-Bohrungen (40, 42; 50, 52; 56, 58; 62) in solcher Verteilung und mit solchen Abmessungen aufweist, daß effektiv eine im wesentlichen gleichmäßige Plasmakonzentration auf einer freien Oberfläche des zu behandelnden Werkstücks

(22¹) innerhalb der Reaktionskammer (14¹) gewährleistet wird, daß Anordnung und Bemessung dieser Bohrungen so getroffen sind, daß das Öffnungs-Oberflächen-Verhältnis der Innenelektrode in einem näher am Werkstück gelegenen Teil vergleichsweise klein und in einem weiter von der Werkstückoberfläche entfernten Teil vergleichsweise groß ist, so daß die Plasmakonzentration auf der gesamten Werkstückoberfläche im wesentlichen gleichmäßig ist, wobei das genannte Verhältnis durch Dividieren der Gesamtquerschnittsfläche der Bohrungen durch den Rest der Gesamtoberfläche der Innenelektrode, abzüglich der Gesamtquerschnittsfläche der Bohrungen, ausgedrückt als Flächeneinheit der Innenelektrode, abgeleitet worden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Öffnungs-Oberflächen-Verhältnis der Innenelektrode (60) in dem der Werkstückoberfläche eng benachbarten Bereich gleich Null ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Bohrungen (50, 52; 56, 58) einen rechteckigen Querschnitt besitzen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Bohrungen (40, 42; 62) einen kreisförmigen Querschnitt besitzen.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektrode (54) eine Gitteroder Maschendrahtkonstruktion ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (22') ein zu ätzendes Werkstück ist und daß das Arbeitsgas ein Ätzgas für das Werkstück ist.

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