DE3922793A1

DE3922793A1 - Vorrichtung zur behandlung von halbleiterwafern

Info

Publication number: DE3922793A1
Application number: DE3922793A
Authority: DE
Inventors: Nobuo Fujiwara; Kenji Kawai; Moriaki Akazawa; Teruo Shibano; Tomoaki Ishida; Kyusaku Nishioka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-07-13
Filing date: 1989-07-11
Publication date: 1990-01-18
Also published as: JP2618001B2; JPH0223612A; US4982138A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Halb leiterwafern, wobei ein durch eine Gasentladung erzeugtes Plasma verwendet wird.

Bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen, wie z. B. Tran sistoren und integrierten Schaltungen, werden Halbleitersubstra te oder sogenannte Wafer bestimmten Behandlungen unterworfen, wie z. B. einer Dünnschichtbildung, Ätzen, Oxidieren und Dotie ren. Einige Vorrichtungen zur Behandlung von Wafern verwenden ein durch eine Gasentladung erzeugtes Plasma. In jüngerer Zeit sind Vorrichtungen zur Behandlung von Halbleiterwafern unter Verwendung eines durch eine Gasentladung erzeugten Plasmas ent wickelt worden, wobei die Gasentladung durch Elektronencyclo tron-Resonanz (ECR) hervorgerufen wird, wobei derartige Vorrichtungen eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen haben, die mit chemischer Dampfabscheidung arbei ten, wobei zu diesen Vorteilen niedrige Betriebstemperaturen und eine Behandlung hoher Qualität gehören.

Die US-PS 3 15 730 gibt den grundsätzlichen Aufbau von Vorrich tungen zur Behandlung von Halbleiterwafern unter Verwendung eines Plasmas an, das durch Elektronencyclotron-Resonanz er zeugt wird. Wie in Fig. 3 dargestellt, weist eine derartige Vorrichtung im allgemeinen eine Waferbehandlungskammer 1, in der ein Halter 8 mit einem Wafer 9 untergebracht ist, sowie eine Plasmaerzeugungskammer 2 auf, die unmittelbar benachbart zu und in direkter Verbindung mit der Waferbehandlungskammer 1 vorgesehen ist.

Von einer nicht-dargestellten Mikrowellenquelle erzeugte Mikro wellen werden über einen Wellenleiter oder Hohlleiter 3 und eine Quarzplatte 4 in die Plasmaerzeugungskammer 2 eingeleitet. Ferner umgibt eine elektromagnetische Spule 5 a in Solenoidform die Plasmaerzeugungskammer 2, um ein magnetisches Feld in der Plasmaerzeugungskammer 2 und der Waferbehandlungskammer 1 zu erzeugen. Eine Gaseinlaßöffnung 6 sowie eine Gasauslaßöffnung 7 sind in einer Wand der Plasmaerzeugungskammer 2 bzw. einer Wand der Waferbehandlungskammer 1 ausgebildet.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 arbeitet folgendermaßen: Nachdem das in der Waferbehandlungskammer 1 und der Plasmaerzeugungs kammer 2 vorhandene Gas durch die Gasauslaßöffnung 7 in sorg fältiger Weise abgesaugt worden ist, wird ein reaktionsfähiges Gas in diese beide Kammern 1 und 2 durch die Gaseinlaßöffnung 6 eingeleitet. Zur gleichen Zeit wird ein Teil des Gases durch die Gasauslaßöffnung 7 abgezogen, um den Druck im Innenraum auf einem vorgegebenen Wert zu halten. Anschließend werden Mikro wellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz, die von der nicht dar gestellten Mikrowellenquelle erzeugt werden, über den Hohllei ter 3 und die Quarzplatte 4 in die Plasmaerzeugungskammer 2 eingeleitet.

Gleichzeitig wird die Spule 5 a erregt, um ein Magnetfeld in der Plasmaerzeugungskammer 2 und der Waferbehandlungskammer 1 zu erzeugen. Die Flußdichte des Magnetfeldes in der Plasmaer zeugungskammer 2 wird auf einen Wert von 875 G einreguliert, um in Zusammenwirkung mit den Mikrowellen eine Elektronencyclo tron-Resonanz zu erzeugen. Das von der Spule 5 a in der Plasma erzeugungskammer 2 erzeugte Magnetfeld breitet sich von der Plasmaerzeugungskammer 2 in divergierender Weise zur Wafer behandlungskammer 1 und damit zum Halter 8 hin aus.

Somit werden die Elektronen in der Plasmaerzeugungskammer 2 auf helixförmigen oder schraubenförmigen Bahnen in Elektronen cyclotron-Resonanz in der Plasmaerzeugungskammer 2 beschleu nigt, wobei sie Energie von den Mikrowellen absorbieren. Die Kollisionen dieser sich schnell bewegenden Elektronen erzeugen ein dichtes Gasplasma in der Plasmaerzeugungskammer 2. Das so erzeugte Plasma breitet sich zu dem Wafer 9 hin aus, und zwar längs der divergierenden Linien des Magnetfeldes, das von der Solenoidspule 5 a erzeugt wird.

Auf diese Weise wird die Behandlung des Wafers 9, beispiels weise eine Dünnschichtbildung oder ein Ätzvorgang, auf seiner Oberfläche vorgenommen. Wie man weiß, werden die Art des bei der Behandlung verwendeten Gases oder sein Druck, die Leistung der Mikrowellenquelle, usw. in Abhängigkeit von der Art der Behandlung gewählt, die bei dem Wafer vorgenommen werden soll.

Die herkömmlichen Vorrichtungen zur Behandlung von Wafern mit einem durch Elektronencyclotron-Resonanz oder ECR erzeugten Plasma haben jedoch die nachstehend beschriebenen Nachteile.

Da die herkömmlichen Vorrichtungen dieser Art, die mit ECR- Plasma arbeiten, eine Solenoidspule verwenden, um in der Plas maerzeugungskammer 2 und der Waferbehandlungskammer 1 ein Mag netfeld zu erzeugen, ist das auf diese Weise in der Plasmaer zeugungskammer 2 erzeugte Magnetfeld am stärksten längs ihrer Mittelachse, so daß die Elektronen in der Plasmaerzeugungskam mer 2 gezwungen werden, sich von der Mittelachse aus in radialer Richtung zu den äußeren Umfangsbereichen zu bewegen. Infolgedessen ist die Einschließung der Elektronen darin unzu reichend, und die Dichte der Plasmaerzeugung kann darin nicht so hoch gemacht werden wie es gewünscht ist.

Infolgedessen ist die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Wafer behandlung niedrig. Außerdem ist, bedingt durch die unzurei chende Einschließung der Elektronen, das in der Plasmaerzeu gungskammer 2 erzeugte Plasma instabil, so daß der Waferbehand lungsvorgang unter einer Reihe von Einschränkungen leidet, wie z. B. hinsichtlich der Art und des Druckes des bei der Plasma erzeugung verwendeten Gases oder hinsichtlich des Pegels der Ausgangsleistung der Mikrowellen, die zur Erzeugung der Elek tronencyclotron-Resonanz verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Behand lung von Halbleiterwafern unter Verwendung eines durch eine Gas entladung erzeugten Plasmas anzugeben, wobei die Dichte der Plasmaerzeugung erhöht wird, um die Arbeitsgeschwindigkeit bei der Waferbehandlung zu verbessern.

Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung in zufriedenstellender Weise erreicht. Dabei wird in vorteilhafter Weise die Stabili tät des erzeugten Plasmas verbessert. Weiterhin kann die Plas maerzeugung in einfacher Weise kontrolliert und gesteuert wer den, so daß die Vorrichtung frei von einschränkenden Bedingun gen ist, die bei herkömmlichen Vorrichtungen unvermeidlich sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine erste Kammer und eine zweite Kammer, nämlich eine Waferbehandlungskammer und eine Plasmaerzeugungskammer, eine Gaszuführungseinrichtung, eine Entladungseinrichtung zur Erzeugung einer Gasentladung in der Plasmaerzeugungskammer, um darin ein Gasplasma zu er zeugen, sowie eine Spule auf, die ein Minimum-Magnetfeld er zeugt.

In diesem Zusammenhang darf darauf hingewiesen werden, daß das Minimum-Magnetfeld oder das Minimum-B-Feld eine Koordination des Magnetfeldes ist, in welchem ein Ort existiert, der eine Minimum-Magnetflußdichte hat, die von Null verschieden ist. Somit wird das Plasma in der Plasmaerzeugungskammer in stabi ler Weise eingeschlossen. Infolgedessen wird ein stabiles und dichtes Plasma in der Plasmaerzeugungskammer erzeugt, und die Geschwindigkeit bei der Waferbehandlung wird erhöht. Außerdem sind die Bedingungen für die Plasmaerzeugung, beispielsweise der Gasdruck, nicht so anspruchsvoll.

Es wird bevorzugt, daß die Vorrichtung ein Plasma durch eine Gasentladung erzeugt, die durch Elektronencyclotron-Resonanz hervorgerufen wird. Die Entladungseinrichtung weist vorzugs weise eine Einrichtung auf, um in die Plasmaerzeugungskammer Mikrowellen einzuleiten, so daß ein Gasplasma erzeugt wird durch eine Gasentladung, die durch Elektronencyclotron-Resonanz hervorgerufen wird, welche sich durch die Mikrowellen und das von der Spule erzeugte Minimum-Magnetfeld entwickelt.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungs beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnun gen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Behandlung von Wafern unter Verwendung eines durch eine Gasentladung erzeugten Plasmas;

Fig. 2a bis 2c perspektivische Darstellungen von Spulen, die Minimum-B-Felder erzeugen und die bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 zum Einsatz gelangen können; und in Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung zur Erläuterung einer herkömmlichen Vorrichtung.

Im folgenden wird auf Fig. 1 Bezug genommen, die eine Ausfüh rungsform gemäß der Erfindung zeigt. Diese Vorrichtung zur Behandlung von Wafern unter Verwendung eines durch Elektronencyclotron-Resonanz erzeugten Plasmas hat in gewisser Weise einen ähnlichen Aufbau wie die Vorrichtung gemäß Fig. 3, ausgenommen die elektromagnetischen Spulen, die in spezieller Weise ausgebildet sind.

Genauer gesagt, die Vorrichtung gemäß Fig. 1 weist eine zylin drische Waferbehandlungskammer 1, in der ein Halter 8 für ei nen Wafer 9 untergebracht ist, sowie eine zylindrische Plasma erzeugungskammer 2 auf, die koaxial zu der und angrenzend an die Waferbehandlungskammer 1 vorgesehen ist. Von einer Mikro wellenquelle 3 a, beispielsweise einem Magnetron, werden Mikro wellen erzeugt und über einen Hohlleiter 3 und eine Quarzplat te 4 in den Innenraum der Plasmaerzeugungskammer 2 eingeleitet.

Anstatt jedoch die elektromagnetische Spule 5 a in Solenoidform gemäß Fig. 3 zu verwenden, ist eine Spule 5 vorgesehen, die ein Minimum-Magnetfeld, also ein Minimum-B-Feld, erzeugt und die die Plasmaerzeugungskammer 2 umgibt, um ein Magnetfeld in der Plasmaerzeugungskammer 2 und der Waferbehandlungskammer 1 zu erzeugen. Die Fig. 2a bis 2c zeigen drei verschiedene Aus führungsbeispiele von derartigen Spulen, die bei der Vorrich tung gemäß Fig. 1 als Spule 5 eingebaut werden können und das Minimum-Magnetfeld erzeugen.

In dem Falle, wo Ioffe-Stäbe 10 gemäß Fig. 2a als Spule 5 zur Erzeugung des Minimum-Magnetfeldes verwendet werden, sind ein Paar von parallelen und gegenüberliegenden, stromführenden ringförmigen Stäben oder Ringen 10 a aus einem elektrisch lei tenden Material, in denen der elektrische Strom im Betrieb in den durch Pfeilen angedeuteten Richtungen fließt, um ein Spie gelfeld zu bilden, koaxial um die zylindrische Plasmaerzeu gungskammer 2 herum angeordnet.

Vier geradlinie, parallele stromführende Stäbe 10 b, die unter rechten Winkeln zu den Ebenen der Ringe 10 a verlaufen, in de nen der elektrische Strom im Betrieb in den durch Pfeilen an gedeuteten Richtungen fließt, um ein Magnetfeld mit Cusp- Geometrie zu erzeugen, sind parallel zur Achse der zylindrischen Plasmaerzeugungskammer 2 angeordnet.

Somit erzeugen die Ioffe-Stäbe 10 ein Minimum-Magnetfeld, also eine Koordination oder Verteilung eines Magnetfeldes, das einen Ort hat, der eine minimale Magnetflußdichte annimmt, die von Null verschieden ist. Dieses Minimum-Magnetfeld wird erhalten durch die Überlagerung des Spiegelfeldes, welches von den Rin gen 10 a erzeugt wird, und des Feldes mit Cusp-Geometrie, das von den geraden Stäben 10 b erzeugt wird.

Es können auch andere Spulen für die Spule 5 bei der Vorrich tung gemäß Fig. 1 verwendet werden, die ein Minimum-Magnetfeld erzeugen, wie z. B. eine Baseball-Spule 11 gemäß Fig. 2b oder eine Yin-Yang-Spule 12 gemäß Fig. 2c.

Im dem Falle, wo die Baseball-Spule 11 als Spule 5 zur Erzeu gung des Minimum-Magnetfeldes verwendet wird, ist die Spule 11 um die Plasmaerzeugungskammer 2 herum in der Weise angeordnet, daß ein Paar von gegenüberliegenden, parallelen kanalförmigen Bereichen 11 a, in denen der Strom im Betrieb in den Richtungen fließt, die durch Pfeile angedeutet sind, um ein Magnetfeld mit Cusp-Geometrie zu erzeugen, parallel zur Achse der zylin drischen Plasmaerzeugungskammer 2 verlaufen, während ein Paar von Querstäben 11 b, welche die kanalförmigen Bereiche 11 a ver binden und in welchen der Strom im Betrieb in den durch Pfeile angedeuteten Richtungen fließt, um ein Spiegelfeld zu erzeugen, quer zur zylindrischen Plasmaerzeugungskammer 2 verlaufen.

In dem Falle, wo die Yin-Yang-Spule 12 als Spule 5 zur Erzeu gung des Minimum-Magnetfeldes verwendet wird, wird die Yin-Yang- Spule 12 um die Plasmaerzeugungskammer 2 herum in der Weise an geordnet, daß ein Paar von halbkreisförmigen Ringen 12 a und 12 b - von denen jeder von einem anulusförmigen Ringteil gebildet wird, das längs einer diametralen Linie herum gefaltet ist und eine doppelte halbkreisförmige Konfiguration hat - einander kreuzen und dabei eine X-förmige Konfiguration bilden, wenn man die Anordnung von der Seite betrachtet, wobei die zylindrische Plasmaerzeugungskammer 2 zwischen den beiden halbkreisförmigen Ringen 12 a und 12 b angeordnet und teilweise von ihnen umgeben ist.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 weist ferner eine Gaseinlaßöffnung 6 und eine Gasauslaßöffnung 7 auf, die in der Stirnwand der Plasmaerzeugungskammer 2 bzw. der Seitenwand der Waferbehand lungskammer 1 ausgebildet sind.

Die Behandlung eines Wafers 9, beispielsweise ein Ätzvorgang, wird folgendermaßen durchgeführt: Nachdem das in der Wafer behandlungskammer 1 und der Plasmaerzeugungskammer 2 vorhan dene Gas sorgfältig abgesaugt worden ist, wird ein reaktions fähiges Gas, beispielsweise Cl₂, durch die Gaseinlaßöffnung 6 in die beiden Kammern eingeleitet. Zur gleichen Zeit wird ein Teil dieses Gases durch die Gasauslaßöffnung 7 abgesaugt, um den Druck im Innenraum auf einem vorgegebenen Pegel zu halten. Als nächstes werden Mikrowellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz, die von der Mikrowellenquelle 3 a erzeugt werden, über den Hohlleiter 3 und die Quarzplatte 4 in die Plasmaerzeugungskam mer 2 eingeleitet.

Zur gleichen Zeit wird die Spule 5 erregt, um ein Magnetfeld in der Plasmaerzeugungskammer 2 und der Waferbehandlungskammer 1 zu erzeugen. Das in der Plasmaerzeugungskammer 2 erzeugte Magnetfeld ist ein Minimum-B-Feld, das aus der Überlagerung eines Spiegelfeldes mit einem Feld mit Cusp-Geometrie resul tiert.

In der Nachbarschaft des Ortes, der den minimalen Wert der Magnetflußdichte annimmt, steigt somit die Magnetflußdichte in jeder Richtung von diesem Ort weg an. Die Flußdichte des Magnetfeldes in der Nachbarschaft des Ortes, an welchem die Flußdichte den minimalen Wert in der Plasmaerzeugungskammer 2 annimmt, wird auf 875 G einreguliert, um um ihn herum eine Elektronencyclotron-Resonanz in Zusammenwirkung mit den Mikro wellen zu erzeugen.

Infolgedessen ist das in der Plasmaerzeugungskammer 2 erzeugte Plasma darin in einer äußerst stabilen Weise eingeschlossen. Da die Elektronen in dieser wirksamen Weise im Plasma eingeschlos sen sind, werden insbesondere die Dichte der Elektronen und da mit die Dichte des Plasmas im allgemeinen erhöht. Da die Ein schließung des Plasmas in der Plasmaerzeugungskammer 2 verbes sert ist, kann somit ein stabiles Plasma in einem Gas erzeugt werden, das einen niedrigen Druckpegel bei Werten von 10^-5 Torr hat.

Das von der Spule 5 in der Waferbehandlungskammer 1 erzeugte Magnetfeld breitet sich andererseits in divergierender Weise von der Plasmaerzeugungskammer 2 zu dem Halter 8 mit dem dar auf befindlichen Wafer 9 aus. Somit wird das Plasma zu dem Wafer hin längs der divergierenden Linien des von der Spule 5 erzeugten Magnetfeldes transportiert, und die Behandlung des Wafers, beispielsweise das Ätzen, kann in wirksamer Weise durch geführt werden.

Die interessierenden Daten der Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit den Ioffe-Stäben 10 als Spule 5 zur Erzeugung des Minimum-Mag netfeldes sind folgende:

Durchmesser der Plasmaerzeugungskammer 2:\|200 mm
Axialabmessung der Plasmaerzeugungskammer 2:	180 mm
Durchmesser der Ringe 10 a der Ioffe-Stäbe 10:	330 mm
Axialabmessung der Ioffe-Stäbe 10:	350 mm
minimale Flußdichte des Magnetfeldes in der Plasmaerzeugungskammer 2:	875 G
Frequenz der Mikrowellenquelle:	2,45 GHz
Ausgangsleistung der Mikrowellenquelle:	1 kW
verwendetes Gas:	Cl₂
Gasdruck:	5×10^-5 Torr

Obwohl die vorstehende Beschreibung im Zusammenhang mit einer Ausführungsform steht, bei der ein Plasma durch eine Elektro nencyclotron-Resonanz-Entladung erzeugt wird, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Sie ist vielmehr auch anwendbar auf jede andere Vorrichtung zur Behandlung von Wafern, die ein Plasma verwendet, das durch eine Gasentladung erzeugt wird, beispielsweise eine Hochfrequenz- oder HF-Entladung, eine Mag netron-Entladung sowie eine Penning- oder PIG-Entladung.

Claims

1. Vorrichtung zur Behandlung von Halbleiterwafern unter Verwen dung eines durch eine Gasentladung erzeugten Plasmas, umfas send

- eine erste Kammer (1), in der eine Halterung (8) für einen Halbleiterwafer (9) untergebracht ist,
- eine zweite Kammer (2), die angrenzend an die und in Ver bindung mit der ersten Kammer (1) vorgesehen ist;
- eine Gaszuführungseinrichtung (6) für die Einleitung eines Gases in die zweite Kammer (2),
- eine Entladungseinrichtung (3-5) zur Erzeugung einer Gas entladung in der zweiten Kammer (2), um ein Plasma des ent sprechenden Gases in der zweiten Kammer (2) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammer (2) von einer Einrichtung (5; 10, 11, 12) umgeben ist, die ein Minimum-Magnetfeld erzeugt, um in der zweiten Kammer (2) dieses Minimum-Magnetfeld auszubil den.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungseinrichtung (3-5) eine Einrichtung (3, 3 a, 4) aufweist, um Mikrowellen in die zweite Kammer (2) einzu leiten, wobei das Plasma des verwendeten Gases durch eine Gasentladung erzeugt wird, welche durch die der zweiten Kam mer (2) zugeführten Mikrowellen und das Minimum-Magnetfeld ausgebildet wird, das in der zweiten Kammer (2) durch die Minimum-Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (10, 11, 12) aus gebildet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Minimum-Magnetfeldes Ioffe-Stäbe (10, 10 a, 10 b) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Minimum-Magnetfeldes eine Baseball-Spule (11) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Minimum-Magnetfeldes eine Yin-Yang-Spule (12) aufweist.