DE3102174C2 - Plasmareaktor zur Behandlung von Halbleitern - Google Patents

Plasmareaktor zur Behandlung von Halbleitern

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Abstract

Mit der Erfindung wird eine Plasmareaktionsvorrichtung mit einer zylindrischen Reaktionskammer geschaffen, die mit einem Gasvorrat zur Zufuhr eines Arbeitsgases für die Behandlung eines Werkstücks (22Δ), etwa eines Halbleiterplättchens, verbindbar ist. Um die Außenseite der Reaktionskammer (14Δ) herum ist eine äußere Elektrode (24Δ) montiert, während in ihrem Inneren mit Abstand von ihren Innenflächen eine Innenelektrode (38) angeordnet ist. Über die beiden Elektroden (24Δ, 38) ist eine Hochfrequenz-Spannungsquelle (32Δ) zur Anlegung einer Hochfrequenzspannung an die Elektroden (24Δ, 38) geschaltet, um das Arbeitsgas zur Erzeugung eines Plasmas im Raum zwischen den Elektroden (24;, 38) anzuregen. Die Innenelektrode (38) weist eine Vielzahl von durchgehenden Plasmadiffusions-Bohrungen (40, 42) in solcher Anordnung und mit solchen Abmessungen auf, daß effektiv eine im wesentlichen gleichmäßige Plasmakonzentration auf einer im Inneren der Reaktionskammer (14Δ) freiliegenden, dem Arbeitsgas ausgesetzten Werkstückoberfläche erzielt wird. Die Bohrungen (40, 42) sind insbesondere so angeordnet und bemessen, daß ein Öffnungs-Oberflächen-Verhältnis der Innenelektrode (38) (berechnet durch Dividieren der Gesamtquerschnittsfläche der Bohrungen (40, 42) durch die verbleibende Gesamtoberfläche der Innenelektrode (38), abzüglich der Gesamtquerschnittsfläche der Bohrungen (40, 42), und ausgedrückt als Flächeneinheit der Innenelektrode (38) in ihrem dicht neben der Werkstückoberfläche ......

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmareaktor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Plasmareaktionsverfahren werden bei der Behandlung von Halbleitermaterial verbreitet angewandt, z. B. für das Ätzen, die Ablagerung bzw. Abscheidung und Veredelung an Halbleiterplättchen. Aus Japanese J. of Appl. Phys. Vol. 18, Nr. 1, Januar 1979, S. 155-163 sind Plasmareaktoren der eingangs genannten Art mit einer zylindrischen Reaktionskammer bekannt, um die herum eine äußere Elektrode angeordnet ist und in welcher sich eine zylindrische Innenelektrode mit durchgehenden Löchern befindet. Bei diesen Plasmareaktoren sind diese Löcher mit jeweils gleicher Querschnittsform und Querschnittsfläche gleichmäßig über die Oberfläche der Innenelektrode verteilt.
Außerdem ist bei den Plasmareaktoren die Reaktionskammer mit einer Vakuumpumpe verbunden, und ein Arbeitsgas wird über einen Sockel mit Einlassen in die Reaktionskammer eingeleitet Im Innern 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 Hochfrequenzspannungsquelle her über die Elektroden angelegten Hochfrequenzspannung erzeugt.
Mit diesen bekannten Plasmareaktoren läßt sich jedoch zumindest über einen größeren Druckbereich des Arbeitsgases in der Reaktionskammer 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 Löcher.
Als Folge dieses Problems werden zumindest bei höheren Arbeitsgasdrücken beispielsweise keine gleichmäßigen Reaktionsgeschwindigkeiten oder -grade, keine gleichmäßige Oberflächenbehandlung, etwa gleichmäßige Ätzgeschwindigkeiten oder -grade, erreicht.
Aus der DE-AS 25 31812 ist ein Plasmareaktor bekannt, der ebenfalls eine mit Löchern versehene zylindrische Innenelektrode hat Für eii.e gleichmäßige Behandlung einer Werkstückoberfläche sind die Einzelabmessungen der Löcher einerseits klein genug, um die Plasmaentladung selbst vom Innern der gelochten Innenelektrode fernzuhalten; sie sind aber andererseits auch groß genug, damit ausreichend aktive neutrale Radikale durch Diffusion die Werkstückoberfläche erreichen können.
Mit diesen bekannten Plasmareaktoren ist es aber nicht möglich, auch bei höheren Arbeitsgasdrücken die Gleichmäßigkeit der Behandlung über der Werkstückoberfläche hinweg sicherzustellen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Plasmareaktor zu schaffen, bei dem auch bei höheren Arbeitsgasdrücken — und somit über einen größeren Bereich von Arbeitsgasdriicken — die Gleichmäßigkeit der Behandlung über die Werkstückoberfläche hinweg gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Plasmareaktor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 6.
Bei der Erfindung wird also der Durchmesser der Löcher in der Innenelektrode als Funktion des Abstandes von der zu behandelnden Werkstückoberfläehe verändert, wodurch auch bei höheren Arbeitsgasdriicken die angestrebte Gleichmäßigkeit der Behandlung gewährleistet wird. Durch diese gleichmäßige Behandlung wird auch eine wesentlich höhere Genauigkeit der durch die Behandlung erzeugten Strukturen in der Werkstückoberfläche erreicht.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Schnittansicht eines bekannten Plasmareaktors,
Fig. 2 eine graphische Darstellung von Kennlinien bezüglich des Ätzens von polykristallinem Silizium zur
Erläuterung der Arbeitsweise des Plasmareaktors nach Fig. 1,
F i g. 3 eine Schnittansicht des Plasmareaktors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 4 eine F i g 2 entsprechende graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise des Plasmareaktors nach F i g. 3 und
F i g. 5 bis 7 Teilansichten abgewandelter Innenelektroden.
Ein bekannter Plasmareaktor der eingangs genannten ic Art zum Ätzen von Halbleiter-Plättchen besitzt typischerweise den Aufbau gemäß Fig. 1. Dieser Piasmarsaktor 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 14 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 CF4-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.
Dieser bekannte Plasmareaktor weist weiterhin zwei konzentrisch angeordnete, hohlzylindrische Elektroden 24 und 26 auf, die an der Außenseite bzw. im Innern der Reaktionskammer 14 angeordnet sind. Die äußere Elektrode 24 ist an der Außenfläche des Gehäuses 12 so gehaltert, daß die Elektrode 24 die Reaktionskammer 14 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 Löchern 30 versehen.
Es ist zu beachten, daß die Löcher 30 im wesentlichen gleichmäßig über die Gesamtoberfläche der Innenelektrode 26 verteilt sind und jeweils gleich große Querschnittsflächen besitzen (typischerweise 5 mm Durchmesser). Mit anderen Worten: das Öffnungs-Oberflächen-Verhältnis der Innenelektrode 26 (d. h. das Verhältnis von Gesamtquerschnittsfläche der Löcher und Oberfläche der Innenelektrode, abzüglich der Lochfläche, ausgedrückt als Flächeneinheit der Elektrode) ist über die gesamte Elektrodenoberfläche hinweg gleichbleibend.
Bei einem Ätzvorgang wird die Reaktionskammer 14 über die Absaugöffnung 16 mittels der nicht dargestellten Vakuumpumpe evakuiert, während gleichzeitig ein Ätzgas, wie CF4-GaS, über die Einiässe 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 22 wird dabei durch aktive Radikale in dem Plasma geätzt, die durch die Löcher 30 hindurchdiffundieren und das Werkstück 22 erreichen. Als Ätzreagens wird im wesentlichen die neutrale aktive Komponente (Radikale) im genannten Plasma betrachtet Es wird angenommen, daß dieses Ätzreagens zwischen den Elektroden 24 und 26 entsteht und das außerhalb des Entstehungsbereichs befindlich;; Wei kstück 22 mittels eines Gasdiffusionsmechanismus erreicht der durch die Löcher 30 in der Innenelektrode 26 ermöglicht wird. Die aktive Lebensdauer dieser Radikale ist begrenzt und variiert mit dem Ätzgasdruck.
Bei diesem bekannten Plasmaätzreaktor wurde beispielsweise die Beziehung zwischen der Ätzgeschwindigkeit oder dem Ätzgrad und dem Ätzgasdruck beim Ätzen einer polykristallinen Siliziumschicht auf dem Plättchen mit CF4-GaS untersucht. Dabei zeigte es sich, daß zur Erhöhung der Ätzgeschwindigkeit der Abgasdruck erhöht werden muß, was jedoch zu einer Verschlechterung der Gleichmäßigkeit des Ätzgrades über das Plättchen hinweg führt, wie dies in F i g. 2 veranschaulicht ist, gemäß welcher die Ätzgrade im Mittelbereich (Kurve 34) 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 Ausführungsformen der Erfindung anhand der F i g. 3 bis 7 erläutert. Der Plasmareaktor gemäß der Erfindung umfaßt eine Innenelektrode 38 innerhalb einer Reaktionskammer 14', die durch eine Glocke bzw. ein Gehäuse 12' und einen Sockel 10' festgelegt wird. Ersichtlicherweise unterscheidet sich die Innenelektrode 38 des erfindungsgemäßen Plasmareaktors von der Innenelektrode 26 gemäß F i g. 1 durch die Gestalt bzw. Abmessungen der durchgehenden Plasmadiffusions-Löcher, während die anderen Teile dieses Plasmareaktors im wesentlichen den Teilen von Fig. 1 entsprechen und daher mit denselben Bezugsziffern wie vorher, aber mit angehängtem Indexstrich, bezeichnet sind.
Beim erfindungsgemäßen Plasmareaktor ist die Innenelektrode 38 mit einer Vielzahl von durchgehenden Plasmadiffusions-Löchern 40 und 42 unterschiedlichen Durchmessers 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 Löcher 40 einen vergleichsweise großen Durchmesser von 5 mm, während die Löcher 42 im unteren, dichter am Werkstück 22' liegenden Teil der Innenelektrode 38 einen vergleichsweise kleinen Durchmesser von 1 mm besitzen. Der Mittenabstend zwischen den Löchern 40 und 42 ist über die gesamte Innenelektrode 38 hinweg gleichbleibend.
Die Innenelektrode 38 des erfindungsgemäßen Plasmareaktors besitzt somit in einem vom Werkstück 22' auf der Bühne 20' vergleichsweise weiter entfernten Beeich 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 Löchern 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 Innenelektode 38 durch deren sich änderndes Öffnungs-Oberflächen-Verhältnis 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.
F i g. 4 veranschaulicht die Ergebnisse eines Versuchs, bei dem der erfindungsgemäße Plasmareaktor für das Ätzen einer polykristallinen Siliziumschicht eingesetzt wurde. Gemäß F i g. 4 ist der Unterschied zwischen dem Ätzgrad im Mittelbereich (Kurve 44) und demjenigen im Randbereich (Kurve 46) des Plättchens im Vergleich zum Ätzgradunterschied des bekannten Plasmareaktors gemäß F i g. 2 erheblich verkleinert. Die Kurven 44 und 46 zeigen außerdem, daß die Ätzgrade über einen ziemlich weiten Druckbereich hinweg annähernd ίο konstant sind.
Die F i g. 5 bis 7 veranschaulichen andere Ausführungsformen der Innenelektrode. Die Innenelektrode 48 gemäß Fig.5 weist eine Vielzahl von rechteckigen Plasmadiffusions-Löchern 50 und 52 auf, von denen die oberen Löcher 50 einen größeren Querschnitt besitzen als die unteren Löcher 52. Die Innenelektrode 54 gemäß F i g. 6 besiehi aus einem rvieiallgiuer, das im oberen Bereich rechteckige öffnungen bzw. Maschen 56 besitzt, die größer sind als die rechteckigen öffnungen bzw. Maschen 58 im unteren Bereich. Die Innenelektrode 60 gemäß Fig. 7 ist dagegen im oberen Bereich mit kreisförmigen Löchern 62 versehen, während sie in ihrem unteren Bereich keine Löcher 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.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Plasmareaktor zur Behandlung eines Werkstücks aus Halbleitermaterial, mit einer zylindrischen Reaktionskammer zur Aufnahme eines Arbeitsgases, mit einer die Außenfläche der Reaktionskammer umschließenden, zylindrischen äußeren Elektrode, mit einer im Innern der Reaktionskammer mit Abstand von ihrer Innenfläche koaxial angeordneten, zylindrischen und mit Löchern versehenen Innenelektrode, mit einer innerhalb der Innenelektrode angeordneten Werkstiick-Bühne zur Aufnahme des zu behandelnden Werkstücks und mit einer Hochfrequenz-Spannungsquelle, die an die Elektroden angeschlossen ist, wobei in der Reaktionskammer zwischen den Elektroden eine Plasmaentladung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung und die Bemessung der Löcher (40, 42; 50, 52; 56, 58; 62) der Innenelektrode (38; 48; 54; 60) so getroffen sind, daß das Verhältnis aus der Gesamtquerschnittsfläche der Löcher und dem verbleibenden Rest der Oberfläche der Innenelektrode in einem näher am Werkstück gelegenen Bereich der Innenelektrode vergleichsweise klein und in einem weiter von der Werkstückoberfläche entfernten Bereich der Innenelektrode vergleichsweise groß ist.
2. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus der Gesamtquerschnittsfläche der Löcher und dem verbleibenden Rest der Oberfläche der Innenelektrode (60) in dem der Werkstückoberfläche eng benachbarten Bereich der Innenelektrode gleich Null ist.
3. Plasmareaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (50,52; 56,58) einen rechteckigen Querschnitt besitzen.
4. Plasmareaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (40, 42; 62) einen kreisförmigen Querschnitt besitzen.
5. Plasmareaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektrode (54) eine Gitter- oder Maschendrahtkonstruktion ist.
6. Plasmareaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas für das zu ätzende Werkstück (22') ein Ätzgas ist.
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