Plasmareaktor und verfahren zu dessen betrieb

Beschreibung

Plasmareaktor und Verfahren zu dessen Betrieb.

Bei der Herstellung integrierter Schaltungen, insbesondere bei der Siliziumprozeßtechnik, werden vielfach Plasmareakto¬ ren eingesetzt. In den Plasmareaktoren wird ein Niederdruck¬ plasma erzeugt, in dem reaktive Ionen vorhanden sind, die an der Oberfläche eines im Reaktor befindlichen Substrates eine Ätzreaktion oder eine Abscheidereaktion auslösen. Im Plasma¬ reaktor werden sowohl Ätzprozesse als auch Schichtabscheidun- gen von Isolatoren, Metallschichten, Halbleiterschichten und ähnlichem durchgeführt.

Das Plasma wird in verschiedenen Plasmareaktoren unterschied¬ lich angeregt. In dem sogenannten Parallelplattenreaktor, wie er zum Beispiel in W. Böhme et al, IEEE Transactions on Plas¬ ma Science, Vol. 22, Seiten 110 bis 115, beschrieben ist, wird das Plasma zwischen zwei Elektroden angeregt, von denen eine geerdet, die andere kapazitiv mit Hochfrequenzspannung verbunden ist. Das zu prozessierende Substrat wird im Paral¬ lelplattenreaktor auf der geerdeten Elektrode angeordnet.

Aus P. Singer, Semiconductor international, July 1992, Seite 52 bis 57, ist ein Plasmareaktor bekannt, der in der Fachwelt als ICP-Reaktor bezeichnet wird. Im ICT-Reaktor wird ein Plasma durch induktive Einkopplung elektrischer Energie ge¬ zündet. Dazu umfaßt der ICP-Reaktor einen Scheibenhalter zur Aufnahme des zu prozessierenden Substrates, der zum Beispiel geerdet ist. Gegenüber des Scheibenhalters ist eine Antenne angeordnet, die gegenüber der Innenwand des ICP-Reaktors zum Beispiel durch eine isolierende Schicht isoliert ist. Über die Antenne wird induktiv ein Hochfrequenzfeld in den Reaktor eingekoppelt. Beim Plasmaatzen sowie bei der plasmaunterstützten Schichtab- scheidung werden häufig Inhomogenitäten in den Ätz- bzw. Ab¬ scheideraten zwischen der Mitte und dem Rand des Reaktors be¬ obachtet. Bei der Prozessierung von Substratscheiben mit gro- ßem Durchmesser wirken sich diese Inhomogenitäten bei der Schichterzeugung und Schichtstrukturierung besonders störend aus. Dieses ist besonders gravierend bei Siliziumscheiben mit einem Durchmesser von 8" oder mehr, wie sie bei der Herstel¬ lung von Schaltungsstrukturen in der 0,35 μm und 0,25 μ -Ge- neration vorgesehen werden.

Zur Vermeidung der Inhomogenti ät in Ätzraten ist vorgeschla¬ gen worden (siehe zum Beispiel S. Butler et al, Proc. of the American Control Conf. , 1993, Seiten 3003 bis 3007), ein Pro- zeßgas zu wählen, bei dem der Ätzprozeß mit hoher Selektivi¬ tät zur Unterlage der zu strukturierenden Schicht abläuft . Die Unterlage wird durch den Ätzprozeß aufgrund der Selekti¬ vität nicht oder kaum angegriffen. Daher kann die Ätzdauer so gewählt werden, daß die zu strukturierende Schicht auch in denjenigen Bereichen des Reaktors, in denen die Ätzrate auf¬ grund der Inhomogenität am geringsten ist, sicher durchätzt wird. Da Ätzprozesse mit hoher Selektivität bezüglich der Ätzrate und der Anisotropie der Ätzung oft unbefriedigend sind, ist vorgeschlagen worden, mehrstufige Ätzprozesse zu verwenden. Durch Abstimmung der einzelnen Ätzprozesse wird in der Kombination ein Optimum an Selektivität, Ätzrate und Ani¬ sotropie erzielt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmareaktor anzugeben, in dem die Homogenität der Prozeßrate über den

Durchmesser des Plasmareaktorε gegenüber dem Stand der Tech¬ nik verbessert ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Betriebsverfahren für einen derartigen Plasmareaktor an¬ zugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Plasma¬ reaktor gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu dessen Be- O 96/18207 PC17DE9501739

3 trieb gemäß Anspruch 7. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

In dem erfindungsgemäßen Plasmareaktor wird das Plasma an verschiedenen Positionen oberhalb eines zu prozessierenden Substrates unterschiedlich angeregt. Dadurch können Inhomoge¬ nitäten der Prozeßraten, die einerseits auf eine Inhomogeni¬ tät des Plasmas selbst und andererseits auf einen inhomogenen Verbrauch der reaktiven Gasmolekύle zurückgeführt werden, ausgeglichen werden.

Der Plasmareaktor umfaßt dazu eine Einrichtung zur Plasmaan¬ regung durch Einkopplung elektrischer Energie, die mindestens zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Teileinrichtungen umfaßt. Gemäß einer Ausführungsform umfaßt die Einrichtung zur Plasmaanregung mindestens eine mit einem Bezugspotential verbundene Elektrode und eine Gegenelektrodenanordnung. Die Gegenelektrodenanordnung weist dabei mindestens zwei oder mehr voneinander unabhängig ansteuerbare Gegenelektrodenele- mente auf. Ferner umfaßt die Einrichtung zur Plasmaanregung zu jedem Gegenelektrodenelement eine Hochfrequenzspannungs- quelle, die mit dem jeweiligen Gegenelektrodenelement kapazi¬ tiv verbunden ist. Zwischen der mit Bezugspotential verbun¬ denen Elektrode und jedem Gegenelektrodenelement erfolgt die Anregung eines Plasmas. Jedes Gegenelektrodenelement, die zugeordnete Hochfrequenzspannungsquelle sowie die mit Be¬ zugspotential verbundene Elektrode bildet eine Teileinrich¬ tung zur Plasmaanregung.

Der Scheibenhalter zur Aufnahme des zu prozessierenden

Substrats ist in dieser Ausführungsform zwischen der mit Be¬ zugspotential verbundenen Elektrode und der Gegenelektroden¬ anordnung angeordnet. Der Scheibenhalter kann sowohl auf der mit Bezugspotential verbundenen Elektrode als auch auf einem der Gegenelektrodenelemente angeordnet sein. Da in der Siliziumprozeßtechnik meist scheibenförmige Substrate verwendet werden, ist es vorteilhaft, eines der Ge¬ genelektrodenelemente kreisförmig auszubilden und das oder die weiteren Gegenelektrodenelemente ringförmig auszubilden. Das kreisförmige Gegenelektrodenelement und das oder die ringförmigen Gegenelektrodenelemente werden konzentrisch in einer Ebene angeordnet. Durch diese kreis-/ringförmigen Gege¬ nelektrodenelemente werden Inhomogenitäten in einer Zylinder¬ geometrie, wie sie bei der Verwendung von scheibenförmigen Substraten vorliegt, optimal ausgeglichen.

Weist der Plasmareaktor und/oder das zu prozessierende Substrat eine andere Symmetrie auf, so liegt es im Rahmen der Erfindung, die Gegenelektrodenelemente mit anderer Geometrie, zum Beispiel als Sektoren eines Kreises, vorzusehen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfaßt der Plasmareaktor als Einrichtung zur Plasmaanregung eine Antennenanordnung mit zwei oder mehr Antennen, über die die Plasmaanregung induktiv erfolgt. Zu jeder Antenne ist eine mit dieser verbundene

Wechselstromquelle vorgesehen. Antenne und Wechselstromquelle bilden jeweils eine Teileinrichtung. Der Plasmareaktor ent¬ spricht in dieser Ausführungsform dem als ICP-Reaktor bekann¬ ten Typ.

Zum Ausgleich von Inhomogenitäten bei Zylindersy metrie ist es in diesem Fall vorteilhaft, die Antennen jeweils im we¬ sentlichen ringförmig mit unterschiedlichem Radius auszubil¬ den und konzentrisch in einer Ebene anzuordnen.

Die Ansteuerung der Teileinrichtungen zur Plasmaanregung er¬ folgt auf einfachste Weise durch Bestimmung der Parameter für die einzelnen Teileinrichtungen über Eichmessungen. Dazu wer¬ den Versuchsreihen mit verschiedenen Parametereinstellung für die Ansteuerung der Teileinrichtungen durchgeführt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Ansteuerung der Teil- einrichtungen zur Plasmaanregung in situ zu optimieren. Dazu sind im Plasmareaktor Mittel vorgesehen, mit denen eine Mes¬ sung einer dem Prozeß unterworfenen Größe an mehreren Orten eines auf dem Scheibenhalter angeordneten Substrates vorgese¬ hen sind. In Abhängigkeit der Messung werden über eine Steu¬ ereinheit die Teileinrichtungen angesteuert. Zur Messung der Prozeßgröße ist zum Beispiel ein Eilipsometer geeignet. Im Fall einer Schichtabscheidung können auch an mehreren Orten vorgesehene Schwingquarze, wie sie bei der Schichtabscheidung zur Dickenkontrolle verwendet werden, eingesetzt werden.

Schließlich liegt es im Rahmen der Erfindung, durch Vergleich der gemessenen Größe an verschiedenen Orten des Substrates mit dem entsprechenden Wert einer numerischen Simulation des Plasmareaktors iterativ optimale Parameter zur Ansteuerung der Teileinrichtungen zur Plasmaanregung zu bestimmen und mit diesen den Prozeß durchzuführen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren und der Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Figur 1 zeigt einen Plasmareaktor mit zwei Gegenelektroden¬ elementen.

Figur 2 zeigt die Abscheiderate in dem in Figur 1 dargestell¬ ten Plasmareaktor für eine feste Spannung an dem ei¬ nen und eine variable Spannung an dem anderen Gegene¬ lektrodenelement.

Figur 3 zeigt die Abscheiderate in dem in Figur 1 gezeigten

Plasmareaktor für eine variable Spannung an dem einen und eine feste Spannung an dem anderen Gegenelektro¬ denelement .

Figur 4 zeigt einen Parallelplattenreaktor mit drei Gegene¬ lektrodenelementen und mit Mitteln zur Messung einer dem Prozeß unterworfenen Größe und Mitteln zur Rege¬ lung der Ansteuerung der Gegenelektrodenelemente.

Figur 5 zeigt einen ICP-Reaktor mit drei Antennen.

Ein Plasmareaktor umfaßt eine Reaktionskammer 11, die Pumpstutzen 12 sowie GasZuführungen 13 für die Zuleitung von Prozeßgas aufweist (siehe Figur 1). Die Reaktionskammer 11 ist mit einem Bezugspotential, zum Beispiel Erdpotential ver- bunden.

In der Reaktionskammer 11 ist ein Scheibenhalter 14 vorgese¬ hen, der ebenfalls auf dem Bezugspotential liegt. Der Schei¬ benhalter 14 ist zum Beispiel zylinderförmig und weist einen Durchmesser von 200 mm auf. In dem Plasmareaktor bildet der Scheibenhalter 14 eine auf Bezugspotential liegende Elek¬ trode.

Dem Scheibenhalter 14 gegenüber ist eine Gegenelektrodenan- Ordnung 15 vorgesehen. Die Gegenelektrodenanordnung 15 umfaßt ein erstes Gegenelektrodenelement 151 und ein zweites Gegene¬ lektrodenelement 152. Das erste Gegenelektrodenelement 151 ist kreisförmig mit einem Durchmesser von zum Beispiel 200 mm. Das zweite Gegenelektrodenelement 152 ist ringförmig, wo- bei die Breite des Rings zum Beispiel 30 mm beträgt. Das zweite Gegenelektrodenelement 152 ist konzentrisch mit dem ersten Gegenelektrodenelement 151 in einer Ebene angeordnet. Zwischen dem ersten Gegenelektrodenelement 151 und dem zweiten Gegenelektrodenelement 152 ist ein Spalt 150 in einer Breite von zum Beispiel 1 mm. Der Abstand zwischen der

Gegenelektrodenanordnung 15 und dem Scheibenhalter 14 beträgt zum Beispiel 41 mm.

Jedes der Gegenelektrodenelemente 151, 152 ist kapazitiv mit jeweils einer Hochfrequenz-Spannungsquelle 161, 162 verbun¬ den. Die Hochfrequenzspannungsquellen 161, 162 sind unabhän¬ gig voneinander regelbar. Insbesondere können am ersten Ge- genelektrodenelement 151 und am zweiten Gegenelektrodenele¬ ment 152 unabhängig voneinander die Amplitude oder die Phase der Elektrodenansteuerung variiert werden. Ferner sind unab¬ hängige Variationen der Ansteuerfrequenz oder des eingepräg- ten Gleichstromanteils möglich.

In diesem Plasmareaktor ist die Homogenität des durchgeführ¬ ten Prozesses über den Durchmesser einer auf dem Scheibenhal¬ ter 14 angeordneten Substratscheibe 17 durch unabhängige An- Steuerung des ersten Gegenelektrodenelementes 151 und des zweiten Gegenelektrodenelementes 152 einstellbar.

Die optimierten Parameter werden zum Beispiel durch vorab durchgeführte Versuchsreihen ermittelt. Dabei wird die Homo- genität des Prozesses über versuchsweise prozessierte Schei¬ ben in Abhängigkeit der an die Gegenelektrodenelemente 151, 152 angelegten Parameter ermittelt.

Bei dieser Parameterbestimmung ist es vorteilhaft, die gemes- senen Daten mit dem Ergebnis von Simulationsrechnungen zu vergleichen. Ist für den Plasmareaktor eine Modellbeschrei¬ bung mit Hilfe einer analytischen Fitfunktion möglich, so kann die optimale Elektrodenansteuerung mit Hilfe einfacher Formeln und einer Anzahl empirisch angepaßter Parameter be- stimmt werden. Ferner ist ein iteratives Vorgehen zur Bestim¬ mung der optimierten Prozeßparameter möglich.

Der anhand von Figur 1 erläuterte Plasmareaktor ist zum Bei¬ spiel zur Abscheidung von amorphem Silizium geeignet. In die- sem Fall wird als Prozeßgas SiH4 mit einer Durchflußrate von 50 sccm verwendet. In der Reaktorkammer wird ein Druck p von 20 Pa eingestellt. Die Temperatur im Reaktor beträgt bei der Abscheidung 350°C. Bei der Abscheidung werden das erste Gege¬ nelektrodenelement 151 und das zweite Gegenelektrodenelement 152 unabhängig voneinander angesteuert. Figur 2 zeigt das Ergebnis einer Simulationsrechnung für das Beispiel der amorphen Siliziumabscheidung für die Abscheide¬ rate R in Abhängigkeit des radialen Abstandes r. Die an das erste Gegenelektrodenelement angelegte Spannung beträgt je¬ weils 100 Volt, während die Spannung an dem zweiten Gegene¬ lektrodenelement 152 zwischen 60 und 160 Volt variiert. Im einzelnen gelten folgende Werte:

Spannung am Spannung am

Kurve ersten Gegene- zweiten Gegen¬ Hochfrequenz lektro-denele- elektrodenele¬ ment 151 ment 152

21 100 Volt 60 Volt 13,56 MHz

22 100 Volt 80 Volt 13,56 MHz

23 100 Volt 100 Volt 13,56 MHz

24 100 Volt 125 Volt 13,56 MHz

25 100 Volt 150 Volt 13,56 MHz

Figur 3 zeigt das entsprechende Ergebnis einer Simulations¬ rechnung für die Abscheidung vom amorphem Silizium für die Abscheiderate R als Funktion des radialen Abstands r vom Mit¬ telpunkt. Dabei ist die an das erste Gegenelektrodenelement 151 angelegte Spannung variiert worden, während die an das zweite Gegenelektrodenelement 152 angelegte Spannung fest ist. Im einzelnen gilt:

Spannung am Spannung am

Kurve ersten Gegene- zweiten Gegen¬ Hochfrequenz lektro-denele- elektrodenele¬ ment 151 ment 152

31 100 Volt 100 Volt 13, 56 MHz

32 125 Volt 100 Volt 13, 56 MHz

33 150 Volt 100 Volt 13,56 MHz

Diese Simulationsrechnungen zeigen, daß die absolute Abschei- derate in dem erfindungsgemäßen Plasmareaktor durch die An- Steuerung des ersten Gegenelektrodenelementes 151 bestimmt wird, während die Homogenität der Abscheidung durch die An¬ steuerung des zweiten Gegenelektrodenelementes, das ringför¬ mig ist, beeinflußt wird.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfaßt ein Plasmare¬ aktor eine Reaktionskammer 41, die mit Pumpstutzen 42 und GasZuführungen 43 zum Einlaß von Prozeßgasen versehen ist (siehe Figur 4) . Die Reaktionskammer 41 ist mit einem Bezugs- potential, zum Beispiel Erde, verbunden.

In der Reaktionskammer 41 ist ein Scheibenhalter 44 vorgese¬ hen, der ebenfalls mit dem Bezugspotential verbunden ist. Der Scheibenhalter 44 ist zum Beispiel zylinderförmig und weist einen Durchmesser von 200 mm auf. Im Betrieb des Plasmareak¬ tors wird der Scheibenhalter 44 als eine Elektrode, die mit Bezugspotential verbunden ist, verwendet.

Dem Scheibenhalter 44 gegenüber ist eine Gegenelektrodenan- Ordnung 45 angeordnet. Sie umfaßt ein erstes Gegenelektroden¬ element 451, ein zweites Gegenelektrodenelement 452 und ein drittes Gegenelektrodenelement 453. Alle drei Gegenelektrode¬ nelemente 451, 452, 453 sind in einer Ebene angeordnet. Das erste Gegenelektrodenelement ist kreisförmig und weist einen Durchmesser von zum Beispiel 100 mm auf. Das zweite Gegene¬ lektrodenelement ist ringförmig und weist einen Außendurch¬ messer von zum Beispiel 200 mm auf. Das dritte Gegenelektro¬ denelement 453 ist auch ringförmig mit einem Außendurchmesser von zum Beispiel 250 mm. Zwischen dem ersten Gegenelektroden- element 451 und dem zweiten Gegenelektrodenelement 452 sowie zwischen dem zweiten Gegenelektrodenelement 452 und dem drit¬ ten Gegenelektrodenelement 453 ist jeweils ein Spalt 450 mit einer Weite von 2 mm vorgesehen. Zwischen der Gegenelektro¬ denanordnung 45 und dem Scheibenhalter 44 beträgt der Abstand 80 mm. Jedes der Gegenelektrodenelemente 451, 452, 453 ist kapazitiv mit einer Hochfrequenzspannungsquelle 461, 462, 463 verbun¬ den, die jeweils unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Ober die Hochspannungsquellen 461, 462, 463 werden die Gege- nelektrodenelemente 451, 452, 453 unabhängig voneinander an¬ gesteuert.

In der Reaktionskammer 41 sind Meßeinrichtungen 481, 482, 483 vorgesehen, die auf zum Beispiel drei Punkte der Oberfläche einer Substratscheibe 47 gerichtet sind, die im Betrieb des Plasmareaktors auf dem Scheibenhalter 44 angeordnet ist. Die Meßeinrichtungen 481, 482, 483 messen eine Größe, die dem Prozeß im Plasmareaktor unterworfen ist. Wird der Plasmareak¬ tor zum Ätzen verwendet, so werden über die Meßeinrichtungen 481, 482, 483 jeweils die verbliebene Schichtdicke an den Meßpunkten registriert. Wird im Plasmareaktor dagegen eine Abscheidung durchgeführt, so wird die aktuelle Schichtdicke an den Meßpunkten registriert . Dazu sind die^" Meßeinrichtungen 481, 482, 483 zum Beispiel als Schwingquarz oder Eilipsometer ausgebildet.

Die Meßeinrichtungen 481, 482, 483 weisen Ausgänge auf, die mit Eingängen einer Steuereinheit 49 verbunden sind. Die Steuereinheit 49 weist darüber hinaus Ausgänge auf, die je- weils mit einem Steuereingang der Hochfrequenzspannungsquel¬ len 461, 462, 463 verbunden sind. Die Steuereinheit 49 umfaßt zum Beispiel einen Mikroprozessor, in dem eine Auswertung der von den Meßeinrichtungen 481, 482, 483 aufgenommenen Daten erfolgt. Abhängig von dieser Auswertung werden auf die Hoch- frequenzspannungsquellen 461, 462, 463 Steuersignale gegeben, die zu einer sofortigen Nachstellung der Elektrodenansteue¬ rung führen.

Der anhand von Figur 4 erläuterte Plasmareaktor kann zum Bei- spiel zum Ätzen von Polysilizium verwendet werden. Dazu wird folgendes Prozeßgas CI2 mit einer Durchflußrate 70 scc (Standard-Kubikzentimeter pro Minute) verwendet. Der Druck im Plasmareaktor beträgt 120 mTorr, die Temperatur 300 K. An die Gegenelektrodenanordnung 45 werden folgende Leistungen ange¬ koppelt:

erstes Gegenelektrodenelement 451: 200 W zweites Gegenelektrodenelement 452: 250 W drittes Gegenelektrodenelement 453: 300 W

Die Wechselspannung weist jeweils eine Hochfrequenz von 13,56 MHz auf.

In einem weiteren Ausfύhrungsbeispiel umfaßt ein Plasmareak¬ tor eine Reaktionskammer 51, die mit Pumpstutzen 52 und Gas¬ zuführungen 53 für ein Prozeßgas versehen ist (siehe Figur 5) . Die Reaktionskammer 51 ist mit einem Bezugspotential, zum Beispiel Nullpotential, verbunden.

In der Reaktionskämmer 51 ist ein Scheibenhalter 54 angeord¬ net, der zur Aufnahme von Substratscheiben 57 mit einem Durchmesser bis zu 200 mm geeignet ist. Der Scheibenhalter 54 ist ebenfalls mit dem Bezugspotential verbunden.

In der Reaktionskammer ist eine Antennenanordnung 55 vorgese¬ hen. Die Antennenanordnung 55 umfaßt voneinander unabhängige Antennen 551, 552, 553, die in einer Isolationsstruktur 550 aus zum Beispiel Quarz eingebettet sind. Jede der Antennen 551, 552, 553 ist mit einer Wechselstromquelle 561, 562, 563 verbunden. Die Antennen 551, 552, 553 sind jeweils im wesent¬ lichen ringförmig ausgebildet und konzentrisch in einer Ebene angeordnet. Die erste Antenne 551 weist dabei einen Durchmes¬ ser von zum Beispiel 100 mm, die zweite Antenne 552 weist ei¬ nen Durchmesser von zum Beispiel 200 mm, die dritte Antenne 553 weist einen Durchmesser von zum Beispiel 250 mm auf.

Im Betrieb des Plasmareaktors wird über die Antennenanordnung 55 induktiv ein Plasma zwischen der Antennenanordnung 55 und der Substratscheibe 57 angeregt. Da die Antennen 551, 552, O 96/18207 PC17DE95/01739

12 553 unabhängig voneinander über die Wechselstromquellen 561, 562, 563 angesteuert werden, wird das Plasma an unterschied¬ lichen Orten oberhalb der Substratscheibe 57 unterschiedlich angeregt. Dadurch werden homogene Reaktionsraten über die ge- sa te Substratscheibe 57 realisiert.

Der anhand von Figur 5 erläuterte Plasmareaktor entspricht einem ICP-Reaktor. Er ist sowohl zum Ätzen als auch zum Schichtabscheiden geeignet.

In diesem Plasmareaktor wird zum Beispiel Polysilizium ge¬ ätzt. Dazu wird folgendes Prozeßgas CI2 mit einer Durchflu߬ rate von 200 sccm verwendet. Der Druck in der Reaktionskammer 51 beträgt 10 mTorr, die Temperatur 300 K. Die Antennen 551, 552, 553 werden mit folgenden elektrischen Daten angesteuert:

Antenne 551 1 kW Antenne 552 1,2 kW Antenne 553 1,4 kW