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Dokumentenidentifikation DE69636286T2 12.04.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000839217
Titel PLASMAUNTERSTÜTZTER CHEMISCHER REAKTOR UND VERFAHREN
Anmelder Applied Materials, Inc., Santa Clara, Calif., US
Erfinder VAN OS, Ron, Sunnyvale, CA 94086, US;
DURBIN, J., William, Capitola, CA 95010, US;
MATTHIESEN, H., Richard, Scotts Valley, CA 95066, US;
FENSKE, C., Dennis, Felton, CA 95018, US;
ROSS, D., Eric, Santa Cruz, CA 95062, US
Vertreter v. Füner Ebbinghaus Finck Hano, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69636286
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 21.06.1996
EP-Aktenzeichen 969225341
WO-Anmeldetag 21.06.1996
PCT-Aktenzeichen PCT/US96/10705
WO-Veröffentlichungsnummer 1997003224
WO-Veröffentlichungsdatum 30.01.1997
EP-Offenlegungsdatum 06.05.1998
EP date of grant 21.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse C23C 16/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C23F 1/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C23C 14/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H05H 1/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H05H 1/24(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor und ein Verfahren zur Behandlung von integrierten Halbleiterschaltungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen plasmaverstärkten Reaktor und ein Verfahren, das in der Lage ist, Behandlungsvorgänge auszuführen, zu denen das Abscheiden von gleichförmigen Filmen oder Schichten auf der Oberfläche von integrierten Schaltungen durch plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), die Filmrückätzung, die Reaktorselbstreinigung sowie gleichzeitige Ätz- und Ablegevorgänge gehören.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Herstellung von Halbleiterwafern und anderen integrierten Schaltungen (IC) schließt kritische Fertigungsschritte ein, wie das Ätzen von Waferoberflächen und das Ablegen von Materialschichten auf Waferoberflächen zur Bildung von Bauelementen, Verbindungsleitungen, Dielektrika, Isoliersperren und dergleichen. Zum Ablegen von Materialschichten und dergleichen auf der Oberfläche von integrierten Schaltungen werden verschiedene Systeme verwendet, und häufig werden solche Schichten durch die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) (Chemical Vapor Deposition) gebildet. Ein herkömmlicher thermischer CVD-Prozess legt eine stabile chemische Verbindung auf der Oberfläche eines Wafers durch thermische Reaktion von bestimmten gasförmigen Chemikalien ab. Beim Stand der Technik wurden verschiedene CVD-Reaktoren eingesetzt, zu denen Niederdruck-CVD-Systeme und Atmosphärendruck-CVD-Systeme gehören.

Neuerdings hat man plasmaverstärkte (manchmal auch plasmagestützt genannt) CVD-Systeme (PEDVD) entwickelt. Die PECVD (Plasma Enhaced Chemical Vapor Deposition)-Systeme sind im Allgemeinen durch Dissoziation und Ionisation von gasförmigen Chemikalien wirksam. Die dem Plasma zugeordneten hohen Elektronentemperaturen erhöhen die Dichte der dissoziierten Spezies, die zur Abscheidung auf der Waferoberfläche verfügbar sind. Somit sind solche Systeme in der Lage, bei niedrigeren Temperaturen als herkömmliche thermische CVD-Systeme zu wirken. Solche Prozesse mit niedrigerer Temperatur sind erwünscht und minimieren die Diffusion von flachen Verbindungen sowie die Interdiffusion von Metallen, die in den integrierten Schaltungen enthalten sind. Darüber hinaus sind PECVD-Systeme zur Ausbildung von mehreren dielektrischen Schichten geeignet, die zum Isolieren gestapelter Bauelementstrukturen eingesetzt werden, wenn die Dichten der Bauelemente zunehmen. Bei der Ausbildung solcher mehrschichtiger dielektrischer Lagen möchte man eine Lage mit guter Spaltfüllung, guter Isolation, guten Beanspruchungs- und Stufenabdeckeigenschaften vorsehen. Es wird immer schwieriger, diese Eigenschaften zu erreichen, wenn die Bauelementabmessungen schrumpfen.

Bei PECVD-Systemen arbeitet der Reaktor gewöhnlich bei niedrigen Drucken während der Behandlung der Halbleiter. Solche niedrigen Drucke ergeben spezielle Betrachtungen der Gasströmungsdynamik, denen man sich zuwenden muss. Bei niedrigen Drucken ist die Kollisionsrate der aktiven Spezies relativ niedrig, und die mittlere freie Weglänge der Spezies ist relativ lang. Deshalb möchte man einen Reaktor bereitstellen, der in der Lage ist, einen gleichförmigen gesteuerten Gasstrom in der Behandlungskammer quer über dem Wafer und zum Auslass hin zu haben, wodurch eine gleichförmige Behandlung des Wafers erreicht wird. Darüber hinaus können andere Betriebsdrucke für verschiedene Prozesse verwendet werden, so dass der Reaktor in der Lage sein soll, über einem großen Druckbereich zu arbeiten.

Das Reinigen des Reaktors spielt eine wesentliche Rolle bei der effektiven Funktion eines Systems. Die hochreaktiven Spezies scheiden sich an den Wänden der Kammer, auf den Funktionsbauelementen sowie auf der Oberfläche des Substrats ab. Solche Abscheidungen beeinträchtigen die Funktionsweise des Systems, können die Plasmapotenziale innerhalb des Systems beeinflussen, und sind eine ernsthafte Quelle für Teilchen, die zur Verunreinigung des abgeschiedenen Films führen können. Deshalb ist es vorteilhaft, eine Reaktorkonstruktion bereitzustellen, die zur Selbstreinigung in der Lage ist.

Die JP 63-292625 von Sumitomo Metal Ind Limited beschreibt einen PECVD-Reaktor mit zwei Gaseinlässen zur Abscheidung von Material auf einem Wafer.

Die JP 61-064124 der Anelva Corp beschreibt einen CVD-Reaktor, der zwei Gaseinlässe und einen einzigen Verteiler hat, der sich nahe an dem Waferhalter befindet.

Die JP 06-280000 der Japan Steelworks Limited beschreibt einen PECVD-Reaktor, der zwei Gaseinlässe und einen einzigen Gasverteiler hat, der sich nahe an dem Waferträger befindet.

Die US 4,990,229 von Campbell beschreibt einen PECVD-Reaktor mit zwei Gaseinlässen.

ZIELE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel dieser Erfindung, einen Reaktor zur Behandlung von Halbleiterwafern und integrierten Schaltungen bereitzustellen.

Insbesondere ist es ein Ziel dieser Erfindung, einen verbesserten Reaktor zur Behandlung von Wafern durch Abscheiden von Filmen oder Schichten auf der Oberfläche solcher Wafer durch plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) bereitzustellen.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung besteht darin, einen Reaktor bereitzustellen, der in der Lage ist, seine Funktion über einem breiten Druckbereich auszuüben.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung besteht darin, einen Reaktor bereitzustellen, der in der Lage ist, gewünschte Filme abzuscheiden und gleichzeitig solche Filme zu ätzen.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Reaktors, der zur Selbstreinigung in der Lage ist.

Ein verwandtes Ziel dieser Erfindung ist die Bereitstellung eines Reaktors, der die Qualität der auf Wafern abgeschiedenen Filme verbessert.

Diese und andere Ziele werden durch den Reaktor nach Anspruch 1 erreicht, der insgesamt eine Plasmakammer aufweist, die mit einer Behandlungskammer in Verbindung steht. Die Plasmakammer hat einen ersten Gaseinspritzverteiler zur Aufnahme von wenigstens einem ersten Gas sowie eine Quelle für elektromagnetische Energie, die das Gas zur Bildung eines Plasmas anregt. Die Behandlungskammer hat einen Waferträger zum Halten eines zu behandelnden Wafers sowie einen zweiten Gasverteiler, der den Waferträger umgibt und reaktive Gase zu dem Waferträger leitet. Das in der Plasmakammer erzeugte Plasma erstreckt sich in die Behandlungskammer und interagiert mit den reaktiven Gasen zur Abscheidung einer Materialschicht auf dem Wafer. Mit der Behandlungskammer steht ein Vakuumsystem zum Entleeren des Reaktors in Verbindung.

Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren nach Anspruch 20 zum Betreiben eines Reaktors, der eine Plasmakammer und eine Prozesskammer aufweist, wobei in der Prozesskammer ein Waferträger angeordnet ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist, ein Plasma innerhalb der Plasmakammer zu erzeugen, wenigstens eine gasförmige Chemikalie in die Behandlungskammer in der Nähe des Waferträgers einzuführen und einen HF-Gradienten anzulegen, um eine Diffusion des Plasmas zu dem Bereich in nächster Nähe des Waferhalters zu induzieren, wodurch das Plasma und die gasförmige Chemikalie in der Nähe des Waferhalters zur Bildung einer Materialschicht auf der Oberfläche des Wafers interagieren.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der ins Einzelne gehenden Beschreibung der Erfindung und der beiliegenden, nachstehend angegebenen Ansprüche sowie unter Bezug auf die Zeichnungen ersichtlich, in denen

1 eine teilweise aufgebrochene Gruppenansicht des Reaktors nach einer Ausführungsform der Erfindung ist,

2 eine vergrößerte, teilweise aufgebrochene Schnittansicht der Plasmakammer und der Prozesskammer des in 1 gezeigten Reaktors ist,

3a einen Querschnitt durch einen ersten Gaseinspritzverteiler nach einer Ausführungsform der Erfindung ist,

3b eine Unteransicht des ersten Gaseinspritzverteilers ist,

3c eine vergrößerte Schnittansicht der Löcher in dem Verteiler von 3a ist,

4 eine teilweise aufgebrochene Stirnansicht einer Ausführungsform eines zweiten Gaseinspritzverteilers nach der vorliegenden Erfindung ist,

5a eine Draufsicht ist, die den Substratträger zeigt, der in dem Reaktor angeordnet ist,

5b teilweise aufgebrochen eine alternative Ausführungsform des Substrathalters zeigt, der in dem Reaktor nach der Erfindung angeordnet ist,

6 eine Schnittansicht des Reaktors nach der Erfindung ist und den Strom der Gase in dem System ansprechend auf die Anordnung der Pumpe auf der Achse zeigt,

7 eine vergrößerte Seitenansicht ist, die den Substratträger und eine Schlittenanordnung nach der Erfindung zeigt,

8 eine vereinfachte Blockdarstellung eines PECVD-Systems mit einer Vielzahl von Reaktoren gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist,

9 die Zerstäubungsrate als Funktion der Vorspannleistung des Substratträgers darstellt,

10a und 10b Schnittansichten der Oberflächentopographie von Halbleiterwafern sind, die in dem Reaktor der Erfindung behandelt wurden, und

11 die Abscheiderate pro Silanfluss als Funktion der angelegten HF-Vorspannung zeigt.

Ins Einzelne gehende Beschreibung der Erfindung A. Übersicht

In den Zeichnungen, in denen gleiche Bauteile mit dem gleichen Bezugszeichen in den Figuren bezeichnet sind, stellen 1 und 2 eine Ausführungsform des Reaktors nach dieser Erfindung dar. 1 veranschaulicht eine Gruppenansicht der Erfindung, bei welcher der Reaktor 10 insgesamt eine Plasmaanordnung 11 und eine Plasmakammer 16 hat. Die Plasmaanordnung hat eine Quelle 12 für die Plasmaerzeugung, deren Innenraum eine Plasmakammer 18 bildet, während ein erster Gaseinspritzverteiler 15 die Oberseite der Kammer bildet. Der erste Verteiler 15 fördert wenigstens eine gasförmige Chemikalie in die Plasmakammer 18. Die Plasmaanordnung 11 ist funktionsmäßig an der Behandlungskammer 16 befestigt. Die Behandlungskammer 16 hat insgesamt einen zweiten Gaseinspritzverteiler 17, der an der Prozesskammer 16 für den Empfang von wenigstens einer zweiten gasförmigen Chemikalie über Gasförderleitungen (nicht gezeigt) angebracht ist. Vorzugsweise ist der Gaseinspritzverteiler 17 nahe an der Oberseite der Kammer 16 angebracht, wobei eine äußere Umfangsfläche längs der Wand der Behandlungskammer 16 angeordnet ist und somit einen fortlaufenden Ring bildet. Weiterhin ist in der Kammer 16 ein horizontaler Waferträger 20 (auf den häufig auch als "Einspannfutter" Bezug genommen ist) zum Halten eines Wafers 24 angeordnet. Vorzugsweise ist der Waferträger 20 an der Kammer 16 durch ein Armelement 21 befestigt, so dass der Waferträger 20 in der Behandlungskammer 16 aufgehängt ist. Auf dem Waferträger 20 ist ein Wafer 24 angeordnet, wobei die Oberfläche des Wafers 24 nach oben weist. Der Waferträger 20 kann durch Anlegen von HF-Energie aus einem Generator 23 über ein Anpassungsnetzwerk 22 unter Vorspannung gesetzt werden.

Zum Entleeren des Reaktors 10 ist ein Vakuumsystem vorgesehen. Mit der Behandlungskammer 16 ist durch einen Kanal 25 eine Vakuumpumpe 26 funktionsmäßig verbunden. Die Vakuumpumpe 26 ist vorzugsweise im Wesentlichen axial zu der Behandlungskanmer 16 ausgerichtet (worauf als "auf Achse befindliche Pumpe" Bezug genommen wird), was eine verbesserte Strömungssteuerung der Gase und des Plasmas in dem Reaktor 10 ergibt. Wie nachstehend im Einzelnen erörtert wird, bilden der aufgehängte Waferträger 20 und die auf Achse gesetzte Pumpe ein System zur gleichförmigen Gasverteilung, das so ausgelegt ist, dass ein symmetrischer Strom von Gasen in dem Reaktor 10 erzeugt und insbesondere eine gleichförmige Abscheidung und/oder Ätzung über dem Wafer 24 begünstigt wird.

Der Reaktor nach der Erfindung ist zur Ausführung verschiedener Behandlungsvorgänge ausgelegt, zu denen die Abscheidung, die Filmrückätzung, die Reaktorselbstreinigung sowie gleichzeitige Ätz- und Abscheidungsschritte gehören. Bei einer beispielsweisen Ausgestaltung des Abscheidungsvorgangs werden Silan und eine Mischung aus Sauerstoff und Argon in die Behandlungskammer 16 über den zweiten Gaseinspritzverteiler 17 befördert. Während des Abscheidungsvorgangs kann sich der erste Gaseinspritzverteiler nicht in Funktion befinden, so dass bei dieser Ausgestaltung Sauerstoff- und Argonmoleküle in die Plasmakammer 18 aus der Behandlungskammer 16 wandern, in die sie ursprünglich eingespritzt wurden, und in der Plasmakammer 18 ionisiert werden. Alternativ kann der erste Gaseinspritzverteiler 15 in Funktion sein, so dass Argon und Sauerstoff in die Plasmakammer über den ersten Gasverteiler 15 befördert werden. Weiterhin können bei einer wiederum anderen Ausgestaltung Sauerstoff und Argon durch sowohl den ersten Gaseinspritzverteiler 15 als auch den zweiten Gaseinspritzverteiler 17 befördert werden.

Während eines Selbstreinigungsvorgangs des Reaktors wird eine Chemikalie, wie CF4, C2F4 oder NH3, in die Plasmakammer über den ersten Gaseinspritzverteiler 15 eingespritzt, wodurch die Gase ionisiert werden und dann durch den Reaktor 10 strömen, um unerwünschte Abscheidungen an den Oberflächen der Kammern 16 und 18 sowie zugehörige Komponenten zu entfernen. Alternativ können die Reinigungschemikalien in den Reaktor über den zweiten Gaseinspritzverteiler 17 eingespritzt oder sowohl an dem ersten Gaseinspritzverteiler 15 als auch von dem zweiten Gaseinspritzverteiler 17 befördert werden. Darüber hinaus ist der Reaktor für das Anlegen einer HF- und Gleichstrom-Vorspannung ausgelegt, die an dem Waferträger induziert wird, um einen Filmrückätzvorgang sowie einen gleichzeitigen Ätzabscheidungsvorgang herbeizuführen. Der Reaktor und die Verfahren werden nachstehend im Einzelnen beschrieben.

B. Plasmakammer

Die Plasmakammer 11 lässt sich besser im Einzelnen anhand von 2 verstehen. Die Plasmaanordnung 11 hat eine Quelle 12 für elektromagnetische Energie, auf die üblicherweise als "Plasmaquelle" Bezug genommen wird, um ein Plasma innerhalb der Plasmakammer 18 zu erzeugen. Vorzugsweise ist die Plasmaquelle 12 von der Art, die beim Stand der Technik als induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) klassifiziert ist. Bei der in 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist die Plasmaquelle 12 zylindrisch und hat eine wendelförmige Spule 13 aus Metall und eine geschlitzte Spule 13 aus Metall und eine geschlitzte elektrostatische Abschirmung 19 aus einem nichtmagnetischen Material, wobei die Abschirmung 19 insgesamt in der Spule 13 angeordnet ist. Die Spule 13 und die Abschirmung 19 sind in einer Ummantelung mit einer Innenwand 27 und einer Außenwand 28 aufgenommen. Vorzugsweise besteht die Innenwand 27 aus einem Isoliermaterial mit geringem Verlust, wie Quarz oder Keramik, während die Außenwand aus Metall bestehen kann. In der Plasmakammer 18, die in der Plasmaquelle 12 ausgebildet ist, wird Plasma erzeugt. Diese bevorzugte Ausgestaltung der Plasmaquelle 12 ist ausführlicher in dem US-Patent 5,234,529 beschrieben, das hier durch Referenz eingeschlossen ist.

In der Abschirmung 19 ist eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden und am Umfang beabstandeten Schlitzen 33 ausgebildet. Die Abschirmung 19 wird dazu verwendet, kapazitive elektrische Felder zu entkoppeln. Die Abschirmung 19 verringert die kapazitive Koppelung zwischen der Spule 13 und der Plasmakammer 18, wo das Plasma erzeugt wird. Bei einer Ausgestaltung wird versucht, dass die Plasmaquelle 12 und die Abschirmung 19 alle kapazitiven Komponenten vollständig abschirmen. Vorzugsweise ist die Abschirmung geerdet. Kapazitiv gekoppelte Felder koppeln mit dem Plasma äußerst wirksam und erzeugen große und insgesamt nicht steuerbare HF-Plasmapotenziale. Auf ein solches Plasma wird als ein "heißes Plasma" Bezug genommen. Das heiße Plasma hat sehr hohe Plasmateilchenenergien, insbesondere hohe Elektronentemperaturen (Te). Das sich ergebende hohe Plasmapotenzial beschädigt den Reaktor, indem es Teilchen mit hoher Energie an den Kammerwänden und andere Bauelemente des Reaktors angreift. Dies verringert die Lebensdauer des Reaktors und erzeugt eine Verunreinigung durch Metallteilchen, die häufig in den abgeschiedenen Filmen endet und dadurch den Wafer zerstört. Darüber hinaus kann das hohe Plasmapotenzial den in Behandlung befindlichen Wafer nachteilig beeinflussen. Durch Verwenden der Abschirmung 19 wird die kapazitive Koppelung auf eine gewünschte Größe reduziert, und durch Ändern der Schlitzöffnungen 33 in der Abschirmung 19 kann die Stärke der kapazitiven Koppelung abhängig von dem Einsatz variiert haben. Beispielsweise kann während des Reinigungsvorgangs, bei welchem der Reaktor 10 gereinigt wird, um eine unerwünschte Materialablagerung auf den Oberflächen des Reaktors 10 zu entfernen, eine stärkere kapazitive Koppelung verwendet werden, wodurch ein Plasma mit höherer Energie erzeugt wird, um eine schnelle Reinigung zu begünstigen.

Zur Erzeugung des Plasmas wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wenigstens ein Gas zu der Plasmakammer 18 durch den ersten Gaseinspritzverteiler 15 geliefert. Die HF-Energie 14 wird in die Plasmaquelle 12 durch Spulen 13 geleitet, die um die Plasmakammer 18 angeordnet sind, wodurch die Gase in der Plasmakammer 18 erregt und in den Plasmazustand gebracht werden. In dem Plasmazustand ist ein großer Prozentsatz der eingeführten gasförmigen Moleküle zur Bildung reaktiver Spezies einschließlich ionisierter Atome dissoziiert. Vorzugsweise wird eine Ionendichte von mehr als 1011 Ionen/cm3 erreicht, worauf als hochdichtes Plasma (HDP) Bezug genommen wird. Bevorzugt ist, dass die Frequenz der HF-Energie 13,56 MHz beträgt, was eine kommerzielle Standardfrequenz ist. Der Generator 14 arbeitet gewöhnlich bei einer Standardimpedanz von 50 Ohm, während ein an sich bekanntes Anpassungsnetzwerk 14a eine wirksame Einkoppelung der HF-Energie in die Plasmaquelle 12 erlaubt. Alternativ wird Gas in die Behandlungskammer 16 über den zweiten Gaseinspritzverteiler 17 befördert, wodurch das Gas in die Plasmakammer 18 wandert und in den Plasmazustand erregt wird, wie es gerade vorstehend beschrieben wurde.

Wieder zurückkommend auf 2 ist der erste Gasverteiler 15 an der Plasmaanordnung montiert gezeigt. Eine weitere Einzelheit ergibt sich aus 3a, wo ein Querschnitt des Verteilers 15 gezeigt ist. Bei dieser Ausgestaltung ist der erste Gasverteiler 15 im Wesentlichen kreisförmig und an der inneren Umfangsfläche der Plasmaquellenanordnung 12 befestigt. Der Verteiler 15 hat eine Vielzahl von Gaseinlasskanälen 32a und 32b, die in der Verteilerbasis 30 ausgebildet ist. Zum Fördern von gasförmigen Materialien in den Verteiler 15 sind Gaslieferleitungen (nicht gezeigt) an jeden der Gaseinlasskanäle über Gaszuführanschlüsse 31a und 31b verbunden. Bei dieser Ausgestaltung sind zwei Gaseinlasskanäle gezeigt, es können jedoch auch zusätzliche Gaseinlasskanäle oder nur ein Gaseinlasskanal verwendet werden.

Die Gaseinlasskanäle 32a und 32b führen einzeln zu konzentrischen, sich am Umfang erstreckenden Kammern 34a und 34b. Die Kammern erstrecken sich durch die Verteilerbasis 30 und sind von einer Platte 37 umschlossen, die an der Verteilerbasis 30 angebracht ist. In jeder Kammer 34a und 34b ist eine Vielzahl von Löchern 36 angeordnet, die in die Abdeckplatte 37 gebohrt sind und die sich am Umfang jeder Kammer erstrecken. Bei einer Ausführungsform ist die Vielzahl von Löchern 36 insgesamt am Boden jeder Kammer 34a und 34b angeordnet und erstreckt sich vertikal durch die Abdeckplatte 37. Alternativ können die Löcher 36 mit einem Winkel durch die Abdeckplatte 37 gebohrt werden. Die Ausgestaltung der Löcher 36 wird so gewählt, dass ein optimale Gaseinspritzung in die Plasmakammer 18 erreicht wird und die Anzahl, Größe, Form und Abstand der Löcher variieren kann. Es können jedoch auch konzentrische Lochreihen in die Abdeckplatte 37 gebohrt werden, die sich am Umfang jeder Kammer erstrecken.

3b zeigt eine Unteransicht eines ersten Gaseinspritzverteilers 15. Wie in der vorliegenden Ausführungsform gezeigt ist, bilden die Löcher 36 insgesamt konzentrische Kreise im Boden des ersten Gaseinspritzverteilers 15. Vorzugsweise besteht die Vielzahl von Löchern, die der inneren Kammer 34b zugeordnet sind, aus fünf Löchern, während die Vielzahl von Löchern, die der äußeren Kammer 34a zugeordnet sind, aus zehn Löchern besteht. 3c ist eine vergrößerte Ansicht, die die bevorzugte Form des Lochs 36 zeigt.

Somit fördern bei der vorliegenden Ausführungsform Gaslieferleitungen gasförmige Chemikalien zum Verteiler 15 über zwei Gaszuführanschlüsse 31a und 31b. Jedes Gas wird direkt durch den Verteiler 15 über Kanäle 32a und 32b zu den kreisförmigen Kammern 34a und 34b befördert, wobei die Gase aus dem Verteiler 15 durch eine Vielzahl von Löchern 36, die jeder Kammer zugeordnet sind, in die Plasmakammer 18 austreten.

Der erste Gasverteiler 15 verwendet ein Kühlsystem zum Kühlen des Verteilers 15 während des Betriebs des Reaktors 10. Durch den Verteiler 15 wird ein Kühlmedium, wie Wasser, umgewälzt, um eine im Wesentlichen gleichförmige Kühlung zu erhalten. Die Aufrechterhaltung einer gleichförmigen Temperatur während des Betriebs ist wesentlich, da die an der Oberfläche des Wafers 24 erfolgende Reaktion temperaturabhängig ist. Darüber hinaus kann ein Defekt bei der Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur zur Flockenbildung von Niederschlägen an den Kammerwänden und zugehörigen Bauelementen führen, wodurch Teilchen in dem System erzeugt werden.

Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Kühlmedium durch den Kühlmittelbeschickungsanschluss 38 zu einer Vielzahl von Kanälen 42 geliefert. Die Kanäle 42 erstrecken sich durch den Verteiler und sind von einer Abdeckplatte 32 eingeschlossen, die an der Verteilerbasis 30 angebracht ist. Die Kanäle 42 erstrecken sich quer über die Verteilerbasis 30, wie es in 3b gezeigt ist. Bei Modifizierungen der Erfindung kann das Kühlsystem anders gestaltet sein.

In der Mitte des Gaseinspritzverteilers 15 ist ein Sichtglas 39 in geeigneter Weise angeordnet, um eine optische Trennfläche zu erhalten, damit man die Plasmaentladung sehen kann. Vorzugsweise ist das Sichtglas kreisförmig und besteht aus Saphir, der dem Angriff von Plasma und Chemikalien widersteht. Darüber hinaus ermöglicht das Sichtglas 39 einen Sehstrahlzugang zu der Waferebene, um eine Ferndiagnose verwenden zu können, beispielsweise ein Laserinterferometer (sichtbar) zur Beobachtung des Filmwachstums und ein Laserinterferometer (IR) zur Beobachtung der Wafertemperatur.

Vorzugsweise hat der Verteiler 15 eine glatte ebene Oberfläche, um die Teilchenabscheidung auf ihn zu minimieren. Bei dieser Ausführungsform ist der Verteiler 15 aus Aluminium hergestellt und hat eine glattpolierte Oberfläche.

C. Behandlungskammer

sZur Behandlung von Halbleiterwafern und anderen ICs hat der Reaktor 10 eine Behandlungskammer 16, die an einer Plasmaanordnung 11 angebracht ist und mit ihr in Verbindung steht. In 1 und 2 ist der innere Aufbau der Behandlungskammer 16 weiter im Einzelnen gezeigt. Die Behandlungskammer 16 ist vorzugsweise zylindrisch und besteht aus einem Material, wie Aluminium. Die Behandlungskammer 16 hat vorzugsweise Einrichtungen zum Umlaufenlassen eines Kühlmediums, wie Wasser, wobei solche Einrichtungen in den Wänden der Behandlungskammer 16 ausgebildet oder alternativ an der Außenseite der Behandlungskammer 16 angeordnet sind, um die Behandlungskammer 16 auf einer konstanten Temperatur zu halten. In der Behandlungskammer 16 ist ein zweiter Gaseinspritzverteiler 17 angeordnet, der sich längs der Oberfläche der Kammer unter Bildung eines Rings erstreckt. In der Behandlungskammer 16 ist ferner ein Waferträger 20 angeordnet, der einen zu behandelnden Wafer 24 hält. Vorzugsweise ist der Waferträger 20 im Wesentlichen zur Achse der Behandlungskammer 16 ausgerichtet, so dass der zweite Gasverteiler 17 den Waferträger 20 umschließt. In einer Seitenwand der Behandlungskammer 16 ist ein Ventil (nicht gezeigt), beispielsweise ein Schieberventil, angeordnet, um einen Zugang zu dem Inneren der Kammer 16 für den Transport des Wafers 24 zum Waferträger 20 hin und von ihm weg zu ermöglichen. Unter dem Waferträger 20 und im Wesentlichen axial zur Achse der Behandlungskammer 16 ausgerichtet sind eine Pumpe 26 und ein Trennventil 25 angeordnet.

Der zweite Gaseinspritzverteiler 17 ist speziell in 4 gezeigt. Der zweite Gaseinspritzverteiler 17 ist weiterhin im Einzelnen in der anhängigen Anmeldung Ser. No. 08/499,861 (WO 97/03223) beschrieben. Insgesamt hat der Verteiler 17 ein Kammergehäuse 40, das an der Behandlungskammer 16 anbringbar ist, einen austauschbaren Düsenaufbau 70, der lösbar an dem Kammergehäuse 40 angebracht ist, und wenigstens eine Kammer, die für die Aufnahme einer gasförmigen Chemikalie ausgebildet ist. Das Kammergehäuse ist mit wenigstens einer Leitung versehen, die mit der Kammer verbunden ist, um die gasförmige Chemikalie zur Kammer zu befördern. Der Düsenaufbau 70 hat eine Vielzahl von Düsen 44a, 44b, die mit der Kammer verbunden und für das Einspritzen der gasförmigen Substanz aus der Kammer in die Behandlungskammer ausgestaltet ist. Bei der vorliegenden Ausführung hat der erste Gasverteiler 17 eine Ringform mit einer äußeren Umfangsfläche, die an der Wand der Behandlungskammer 16 angebracht ist, wobei jedoch auch andere Ausgestaltungen innerhalb des Rahmens der Erfindung liegen.

Wie in 4 gezeigt ist, hat bei der bevorzugten Ausführungsform des Verteilers 17 das Kammergehäuse 40 zwei parallele, sich am Umfang erstreckende Kanäle 46 und 48, die in dem Kammergehäuse 40 ausgebildet sind. Die Kanäle 46 und 48 begrenzen teilweise ein Paar von Räumen für die getrennte Aufnahme der gasförmigen Chemikalien, die bei der Behandlung des Wafers Verwendung finden. Die Kanäle 46 und 48 sind jeweils mit einer Gasquelle 50 und 52 (nicht gezeigt) durch Leitungen 52 und 56 über Zuführleitungen 58 und 60 (nicht gezeigt) verbunden. Die Zuführleitungen 58 und 60 erstrecken sich vertikal zur Kreuzung mit den Leitungen 54 und 56, worauf als "Bodenbeschickung" der Gase Bezug genommen wird. Bei einer alternativen Ausgestaltung können die Zuführleitungen 58 und 60 so gestaltet sein, dass sie sich horizontal durch die Wand der Behandlungskammer 16 als "Seitenbeschickung" erstrecken.

Vorzugsweise ist eine Prallplatte 62, die mit einer Vielzahl von Öffnungen (nicht gezeigt) zu versehen ist, in jedem Kanal 46 und 48 in bekannter Weise angebracht. Die Prallplatten 62 unterbrechen den Gasstrom aus den Leitungen 54 und 56 zu den Düsen 44a und 44b angrenzend an die Düsen, um das Gas zu zerstreuen und den Strom des Gases um den Umfang des Kammergehäuses 40 herum gleichförmiger zu verteilen. Die Ausgestaltung der Prallplatten 62 wird so gewählt, dass man eine optimale Verteilung der Gase erhält, und unterliegt einer beträchtlichen Variation. Darüber hinaus können, falls erwünscht; die Prallplatten 62 weggelassen werden.

Der Düsenaufbau 70 ist entfernbar an dem Kammergehäuse 40 angebracht, das die die Räume umschließenden Kanäle 46 und 48 abdeckt. Der Düsenaufbau 70 hat eine Vielzahl von ersten Düsen 44a, die im Wesentlichen fluchtend zu dem Kanal 46 ausgerichtet sind, sowie eine Vielzahl von zweiten Düsen 44b, die fluchtend zu dem Kanal 48 ausgerichtet sind, um die gasförmigen Substanzen, die in den Räumen in der Behandlungskammer 16 gehalten werden, einzublasen. Die Größe, die Form, der Abstand, der Winkel und die Ausrichtung der Düsen können sich merklich ändern. Die Düsen 44a und 44b sind vorzugsweise so gestaltet, dass sie die an der Oberfläche des Wafers 24 gebildeten Schichten mit einem im Wesentlichen flachen Profil versehen.

Während der Reaktor 10 arbeitet, und insbesondere während der PECVD-Behandlung des Wafers 24, ist der Düsenaufbau 70 dem Plasma ausgesetzt. Der Gaseinspritzverteiler 17 ist vorzugsweise geerdet, es sei denn, dass der Düsenaufbau 70 aus einem dielektrischen Material hergestellt ist.

Der Verteiler 17 ist von besonderem Vorteil bei der CVD-Behandlung verstärkt durch Plasma hoher Dichte aufgrund der Effekte auf dem Gasstrom durch Faktoren, wie die hohe Dichte des Plasmas, der niedrige Druck des Reaktors 10 von weniger als 3 bis 4 mTorr, verglichen mit mehr als 100 mTorr bei herkömmlichen plasmaverstärkten Systemen, und der relativ hohen Elektronentemperatur Te. Aufgrund des geringeren Kammerdrucks ist die mittlere freie Weglänge groß und führt zu einer schnellen Dispersion der gasförmigen Chemikalie weg vom Einspritzpunkt (d.h. dem Auslass des zweiten Gaseinspritzverteilers 17), so dass die unmittelbare Nähe des Verteilers 17 zur Oberfläche des Wafers 24 den effizienten Einsatz von Chemikalien ermöglicht und eine gleichförmige Gasverteilung über der Waferebene begünstigt.

Wie vorstehend erwähnt, ist in der Behandlungskanmer 16 ein Waferträger 20 zum Befestigen des Wafers 24 während der Behandlung angebracht. Der Waferträger 20 ist allgemein unten stehend beschrieben; weitere Einzelheiten ergeben sich jedoch aus der anhängigen Anmeldung Ser. No. 08/500,480 (WO 97/03495). Gemäß 2, 5b und 7 hat der Waferträger 20 insgesamt ein Trägergehäuse 50 mit einer Trägerfläche 52 zum Halten eines Wafers 24, eine Spannungsquelle 74, die mit dem Trägergehäuse für eine elektrostatische Koppelung des Wafers mit der Trägerfläche gekoppelt ist, und ein Kühlsystem 78 zum Kühlen des Wafers. Das Kühlsystem hat eine Vielzahl von Gasverteilungsnuten (nicht gezeigt), die in der Trägerfläche 52 für ein gleichförmiges Verteilen einer gasförmigen Substanz zwischen dem Wafer 24 und der Trägerfläche 52 ausgebildet sind. Das Kühlsystem hat einen Drosselmechanismus (nicht gezeigt) in der Leitung zwischen der Gasquelle und den Gasverteilungsnuten, um eine katastrophale Trennung des Wafers 24 von der Tragfläche 52 im Wesentlichen dann zu verhindern, wenn ein Teil des Wafers von der Tragfläche 52 getrennt wird. An der Behandlungskammer 16 ist wenigstens ein Armelement 21 anbringbar, das sich von dem Trägergehäuse 50 aus erstreckt, wobei das Trägergehäuse 50 und das Armelement 21 vom Boden der Behandlungskammer 16 getrennt sind. Gemäß 7 ist die vorliegende Ausführungsform des Armelements 21 an einer Schlittenanordnung 86 angebracht, die ihrerseits durch eine Platte 29 lösbar an der Behandlungskammer 16 festgelegt ist.

Der Wafer 24 wird von der Trägerfläche 52 durch eine Hubanordnung (nicht gezeigt) abgesenkt oder angehoben. Die Hubanordnung hat eine Vielzahl von Hubstiften 84, die sich durch Öffnungen erstrecken, die in der Trägerfläche 52 und einer Elektrodenanordnung (nicht gezeigt) ausgebildet sind. Die Hubstifte 84 sind zwischen einer ausgefahrenen Position, in der die Stifte den Wafer 24 über der Trägerfläche 52 halten, und einer eingezogenen Position bewegbar.

Der Waferträger 20 verwendet ein Kühlsystem zum Kühlen des Wafers während der Behandlung. Zwischen der Trägerfläche 52 und dem Wafer 24 wird eine gasförmige Substanz, wie Helium, Argon, Sauerstoff, Wasserstoff und dergleichen verteilt, um eine im Wesentlichen gleichförmige Kühlung quer über den gesamten Wafer 24 bereitzustellen. Das Halten des gesamten Wafers auf einer gleichförmigen Temperatur während der Behandlung verbessert die Gleichförmigkeit der auf der Waferoberfläche ausgebildeten Schichten beträchtlich.

Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist der Waferträger 20 insbesondere für den Einsatz bei einer PECVD-Behandlung ausgelegt. Die Elektrodenanordnung (nicht gezeigt) weist Einrichtungen zum Anlegen einer HF-Vorspannung an dem Trägergehäuse 50 auf. Die Elektrodenanordnung hat ein Paar von elektrischen Anschlüssen (nicht gezeigt), die innere und äußere Elektroden jeweils mit einer HF-Quelle 23 und einem Anpassnetzwerk 22 verbinden. Das Anlegen einer HF-Vorspannung an der Trägerfläche 52 erhöht das Schwebepotenzial des Plasmas in dem lokalen Bereich der Trägerfläche 52. Die Eigenvorspannung, die durch Anlegen der HF-Vorspannung an die Trägerfläche 52 induziert wird, beschleunigt Ionen, die in die Plasmaschicht in dem Bereich des Waferträgers 20 und zu dem Wafer 24 hin diffundieren. Dies erhöht die Zerstäubungsätzung, die bei der Bildung von hohlraumfreien Schichten aus Material auf der Oberfläche des Wafers 24 erwünscht ist.

Die Frequenz der HF-Vorspannung, die an den Waferträger 20 angelegt wird, liegt im Bereich von 1 bis 60 MHz. Vorzugsweise unterscheidet sich die HF-Frequenz der Plasmaquelle 12 von der des Waferträgers 20, um die Frequenzschwebung zu minimieren. Vorzugsweise liegt die HF-Frequenz, die an den Waferträger 20 angelegt wird, bei etwa 3,39 MHz, während die Plasmaquelle 12 bei etwa 13,56 MHz arbeitet.

Während der Behandlung ist der Wafer 24 auf der Trägerfläche 52 positioniert, und insbesondere auf Hubstiften 54 mittels einer beim Stand der Technik bekannten Transportvorrichtung (nicht gezeigt) platziert. An die wenigstens eine Elektrode des Waferträgers 20 ist eine Gleichspannung angelegt, um den Wafer an die Trägerfläche 52 elektrostatisch anzuziehen und daran festzuhalten. Nach der Behandlung des Wafers 24 wird die Elektrode im Wesentlichen geerdet, um die elektrostatische Ladung für die Freigabe des Wafers 24 von der Trägerfläche 52 ausreichend zu deaktivieren. Vorzugsweise hat das Trägergehäuse 50 zwei Elektroden, wobei an die eine Elektrode eine positive Spannung und an die andere Elektrode eine negative Spannung angelegt wird. Wenn der Wafer 24 aus der Behandlungskammer 16 entfernt ist, wird vorzugsweise die Polarität der Elektroden für den nächsten Wafer umgekehrt.

Die besondere Anbringung des Waferträgers 20 an der Behandlungskammer 16 ist von besonderem Vorteil bei der Behandlung des Wafers 24 im Wesentlichen aufgrund der Begünstigung der symmetrischen Gasströmung. Gemäß 2 erhält wenigstens ein Armelement 21 den Waferträger 20 an der Behandlungskammer 16, so dass der Waferträger 20 bezüglich der Behandlungskammer 16 aufgehängt ist. Das Aufhängen des Waferträgers 20 derart, dass er vom Boden der Behandlungskammer 16 im Gegensatz zu bekannten Systemen entfernt ist, bietet eine verbesserte Strömungssteuerung während der Behandlung und eine erhöhte Flexibilität in der Auslegung des Gesamtreaktors 10. Bei der bevorzugten Ausgestaltung ist die Vakuumsystempumpe 26 im Wesentlichen fluchtend zu der Behandlungskammer 16 ausgerichtet, wodurch die Aufstandsfläche des Reaktors 10 minimiert und der Wirkungsgrad der Pumpe während des Betriebs verbessert wird.

In 5a und 5b sind zwei Ausführungsformen eines Waferträgers 20 gezeigt, der in der Behandlungskammer 16 angebracht ist. Vorzugsweise werden zwei Armelemente 21a und 21b, wie in 5b gezeigt, verwendet, die sich zu einer Wand der Behandlungskammer 16 hin erstrecken. Natürlich können jedoch die Anzahl der Armelemente 21 und ihre Position, wo sie an der Behandlungskammer 16 befestigt sind, variieren.

Jedes der Armelemente 21a und 21b ist mit einer sich in Längsrichtung erstreckenden Bohrung 60 versehen, wie es in 5b gezeigt ist. Die Bohrungen und das Armelement 21a bilden eine Leitung von dem Trägergehäuse 50 für die elektrischen Anschlüsse 62 und 64, die die Elektroden des Waferträgers 20 an die Spannungsquelle 74 ankoppeln. Weiterhin koppeln die elektrischen Anschlüsse 66 und 68 die HF-Quelle an die Elektroden. Die Gasquelle 76 und die Fluidquelle 78 für die Elektrodenanordnung sind mit dem Trägerkörper 50 über Leitungen 72 bzw. 73 verbunden, die sich durch die Bohrung 60 des Armelements 21b erstrecken. Alternativ zeigt 5a die Verwendung eines Armelements 21, das an der Wand der Behandlungskammer 16 angebracht ist, wodurch sich die Fluidquelle 78, die Gasquelle 76, die Gleichstromquelle 74 und die HF-Quelle 23 sowie ihre jeweiligen Anschlüsse durch die Bohrung des Armelements 21 zum Waferträger 20 erstrecken.

An der Behandlungskammer 16 ist zum Entleeren des Reaktors 10 ein Vakuumsystem funktionsmäßig befestigt. Gemäß 1 hat das Vakuumsystem eine Pumpe 26 und vorzugsweise ein Vakuumtrennventil 25, das unter dem Waferträger 20 und dem Boden der Behandlungskammer 16 angeordnet ist. Vorzugsweise sind die Pumpe 26 und das Ventil 25 im Wesentlichen axial fluchtend zu der Behandlungskammer 16 ausgerichtet. Ein solches Pumpe "auf Achse" nach der Erfindung ist von besonderem Vorteil und begünstigt das symmetrische Strömen der Gase in dem Reaktor 10. Die Pumpe 26 und das Ventil 25 sind bekanntermaßen bevorzugt eine Turbopumpe bzw. ein Schiebeventil.

Ein beträchtlicher Vorteil der Erfindung ist die symmetrische Strömung der Gase in dem Reaktor, der mit der Auslegung nach der Erfindung versehen ist, und die entsprechende Reduzierung der Behinderung der Symmetrie der Pumpenströmung in dem Bereich nahe am Wafer 24. Gemäß 6 ist die symmetrische Strömung in dem Reaktor 10 durch Strömungslinien dargestellt.

Bei dem hier beschriebenen Reaktor nach der Erfindung bilden die Anordnung des an der Seite angebrachten Substratträgers 20 und das Pumpen auf Achse ein gleichförmiges Gasverteilungssystem, das so ausgelegt ist, dass sich eine symmetrische Strömung der Gase innerhalb des Reaktors 10 ergibt und insbesondere eine gleichförmige Abscheidung und/oder Ätzung über dem Wafer 24 begünstigt wird.

8 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher eine Vielzahl von Reaktoren 10a bis 10d durch ein übliches bekanntes Transportmodul 75 für die Behandlung einer Vielzahl von Wafern verbunden ist. Jeder Reaktor 10a, 10b, 10c und 10d kann einen gesonderten Behandlungsschritt ausführen, oder es kann der gleiche Behandlungsschritt in jedem Reaktor ausgeführt werden.

D. Reaktorbetrieb

Um die Ausdehnung des Plasmas in die Behandlungskammer 16 zu begünstigen, hat der erfindungsgemäße Reaktor einen Potenzialgradienten, der eine Diffusion des Plasmas verursacht. Das Plasma wird nahe an der Spule 13 erzeugt und diffundiert nach außen in jede Richtung. Gemäß 3a hat der erste Gaseinspritzverteiler eine Oberfläche 41, die dahingehend wirkt, dass das Plasma auf das Spannungspotenzial bezogen wird. Zum Leiten des Plasmas wird der erste Gaseinspritzverteiler 15 vorzugsweise geerdet, was das Plasma zur Erzeugung einer leicht positiven Ladung an der Oberfläche 41 des Verteilers 15 (d.h. das Plasmapotenzial) bewegt. Alternativ kann der erste Gaseinspritzverteiler 15 auf irgendeinem Potenzial anstatt auf Masse gehalten werden. Somit ist das Plasma auf ein spezielles Potenzial in dem lokalen Bereich der Oberfläche 41 bezogen. Das Plasma erstreckt sich in die Plasmakammer 16, und eine ambipolare Diffusion des Plasmas ersetzt jeden Verlust von geladenen Teilchen in der Behandlungskammer 16, wofür eine stetige Zufuhr von geladenen Teilchen in dem Bereich gesorgt ist, wo die Chemie abläuft, d.h. an dem Waferträger 20. Darüber hinaus ist das erzeugte Plasma ein "kaltes Plasma", d.h. das Plasmapotenzial ist niedrig. Somit ist das Potenzial der Wände sehr niedrig, so dass es weniger wahrscheinlich ist, dass das Plasma die Wände der Kammer erodiert, was die Metallverunreinigung minimiert. Das Plasma ist im Wesentlichen aufgrund der elektrostatischen Abschirmung 19 kalt, die den Hauptionisierungsmechanismus dazu zwingt, dass er induktiv ist.

Beim Anlegen der HF-Vorspannung wird an dem Waferträger 20 und dem Wafer 24 eine Eigenvorspannung induziert. Die Steuerung der Eigenvorspannung kann durch Inbetrachtziehen des Verhältnisses der Fläche des HF-Vorspannungs-Stromrückführwegs und der Fläche des Wafers beeinflusst werden. Bei einer Ausführungsform beschleunigt die Eigenvorspannung während des Ablegebetriebs Ionen aus der Plasmaschicht in dem Reaktor zur Oberfläche des Wafers 24. Die Ionenzerstäubung ätzt die Materialschicht, wenn sie abgelegt wird, wodurch die Ablage eines hohlraumfreien, dichten guten Qualitätsfilms verbessert wird. Die HF-Vorspannung, die an den Waferträger angelegt wird, kann von 75 bis 400 V variieren und vorzugsweise bei etwa 300 V für eine HF-Vorspannungsleistung von 1700 W liegen.

Man möchte die Vorspannungsfrequenz so wählen, dass eine Interferenz mit der Frequenz der Plasmaquelle 12 (d.h. Intermodulation) minimiert wird, jedoch die Frequenz ausreichend hoch ist, damit die Induktion der Gleichstromeigenvorspannung des Wafers möglich ist und damit eine solche Vorspannung ohne übermäßige Leistungsanforderungen erreicht wird. Insgesamt erzeugen die niedrigeren Frequenzen größere induzierte Spannungen auf Kosten einer Oberwelle oben auf der induzierten Spannung. Die Zerstäubungsätzrate an der Oberfläche des Wafers 24 ist proportional zu der induzierten Vorspannung. Ein akzeptabler Kompromiss findet sich bei Frequenzen, die größer als 2 MHz und kleiner als oder gleich 13,56 MHz sind. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet eine HF-Vorspannfrequenz, die an den Waferträger 20 angelegt wird, von 3,39 MHz, deren erste Harmonische mit einer ISM-Frequenz (was für das Instrumenten-, wissenschaftliche und medizinische Frequenzband steht) von 6,78 der Federal Communications Commission (FCC) zusammenfällt und sich ausreichend von der HF-Frequenz der Plasmaquelle 12 unterscheidet, um eine Intermodulation zu verhindern und dadurch Steuersysteminstabilitäten zu minimieren.

Die Abhängigkeit der Zerstäubungsätzrate von der Vorspannungsfrequenz ist in 9 gezeigt. Auf dem Waferträger 20 wird ein Wafer 24 mit einer Oxidschicht angeordnet. Der Druck des Reaktors 10 beträgt etwa 1,8 mTorr, und es wird Argongas mit etwa 100 sccm in die Prozesskammer 16 eingeführt. Es werden zwei unterschiedliche Vorspannfrequenzen von 3,39 MHz und 13,56 MHz angelegt und die Zerstäubungsätzrate als Funktion der Vorspannungsleistung aufgetragen, die an den Waferträger 20 für die beiden Frequenzen angelegt wird.

In dem Reaktor 10 sind zirkulierende HF-Energiefelder vorhanden und sind von besonderer Bedeutung, wenn sie sich nahe bei dem Wafer 24 in der Behandlungskammer 16 befinden. Ein spezieller Vorteil der Erfindung ist die Funktion des zweiten Gaseinspritzverteilers 17 als HF-Stromrückführweg für HF-Ströme, die durch das Vorspannen des Waferträgers mit HF-Energie erzeugt werden. Ein wesentlicher Betrag der zirkulierenden HF-Ströme findet einen Rückkehrweg durch den Verteiler 17. Gemäß 4 ist der zweite Gaseinspritzverteiler 17 durch zusammenpassende Flächen 80 und 81 gut geerdet, die vorzugsweise mit einem geeigneten Material, wie Nickel, plattiert sind, um den gegenseitigen Metallflächenkontakt zwischen dem Plasmagehäuse 40 und dem Düsenabschnitt 70 zu verbessern. Die anschließenden Oberflächen des Metalls sind so ausgelegt, dass sie einen Kontakt mit niedriger Impedanz begünstigen, wobei ein spezielles Dichtungsmaterial, beispielsweise ein bekanntes Spiralschild, verwendet wird. Der Verteiler 17 ist mit Masse verbunden, und die zusammenpassenden Flächen 80 und 81 bilden den Rückführweg für die HF-Energie, die erzeugt wird, wenn die HF-Vorspannung an den Waferträger 20 angelegt ist. Die HF-Ströme verlaufen längs der Oberflächen, nicht durch die Masse des Metalls. Dementsprechend wird das Dichtungsmaterial nahe an den Metallberührungsflächen angeordnet. Darüber hinaus ist die Platzierung des Verteilers 17 in der Behandlungskammer 16 wichtig. Der Verteiler 17 wird in unmittelbarer Nähe zum Waferträger 20 verglichen mit der unmittelbaren Nähe der Plasmaquelle 12 und des ersten Gaseinspritzverteilers 15 an dem Waferträger 20 angeordnet. Die zirkulierenden HF-Ströme treffen insgesamt auf den zweiten Gaseinspritzsammler 17 und werden entfernt, bevor sie auf andere Komponenten treffen. In dem Fall, in welchem die HF-Ströme durch die Plasmaquelle 12 im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung zurückkehren, kann die Resonanz der Plasmaquelle 12 nachteilig beeinflusst werden. Wie vorstehend beschrieben, sind auch die Frequenzen ausreichend verschieden, um zu vermeiden, dass dies eintritt.

Der Reaktor 10 der Erfindung ist besonders für einen stabilen, im Wesentlichen wiederholbaren Betrieb geeignet, indem für eine Trennung der HF-Ströme und des Plasmapotenzials der Quelle 10 und des ersten Verteilers 15 von dem Waferträger 20 gesorgt wird. Eine solche Trennung ermöglicht, dass das Plasmapotenzial an der Fläche 41 des ersten Gasverteilers 15 genau bestimmt und aufrechterhalten wird. Ohne ein genau bestimmtes Plasmapotenzial kann sich das System von Tag zu Tag abhängig von der Größe des Plasmakontakts mit der Fläche 41 des ersten Gasverteilers 15 ändern, was dazu führt, dass das System driftet und die Wiederholbarkeit des Abscheideprozesses nachteilig beeinflusst. Wesentlich ist zu vermerken, dass sich die mechanische Ausgestaltung des zweiten Gasverteilers 17 beträchtlich ändern kann, während die gleiche HF-Rückführfunktion, wie oben beschrieben, erreicht wird, und dass alle solchen mechanischen Änderungen innerhalb des Rahmens der Erfindung liegen.

Wie vorstehend erwähnt, liegt ein besonderer Vorteil der Erfindung in der symmetrischen Strömung der Gase in dem Reaktor, die durch die erfindungsgemäße Konstruktion und die auf Achse befindliche Pumpe insbesondere vorgesehen wird, was einer Reduzierung der Interferenz mit der Symmetrie des Pumpenstroms in dem Bereich nahe an dem Wafer 24 entspricht. Gemäß 6 wird die symmetrische Strömung in dem Reaktor 10 durch Strömungslinien dargestellt und zeigt einen erwünschten gleichförmigen radialen Strom auf der Waferebene. Bei niedrigen Drucken ist die mittlere freie Weglänge des Gases relativ groß, so dass es weniger Kollisionen zwischen den Molekülen gibt. Die Gasdichte soll jedoch äußerst gleichförmig in dem Bereich in unmittelbarer Nähe des Wafers sein. Dies wird durch den Reaktor verbessert, indem die gleiche effektive Pumpgeschwindigkeit um die Waferebene herum an dem Waferträger 20 vorgesehen wird. Eine gleiche effektive Pumpgeschwindigkeit wird dadurch erreicht, dass der Wafer und die Pumpe zu der Behandlungskammer axial fluchtend ausgerichtet werden, so dass die geometrische Ausrüstung die Strömung mit gleichem Abstand um den Wafer herum begünstigt. Dadurch ist der Gasstrom über dem Wafer symmetrisch, was die gleichförmige Behandlung des Wafers verbessert. Darüber hinaus werden während des Reaktor-Selbstreinigungsvorgangs Gase vorzugsweise durch den ersten Gaseinspritzverteiler 15 eingespritzt, wobei die längs der Symmetrieachse angeordnete Pumpe den gleichförmigen Gasstrom und somit die Reinigungswirkung in dem ganzen Reaktor 10 verbessert.

Die erfindungsgemäße Auslegung des Reaktors 10 begünstigt die Abscheidung gleichförmiger Filme, was in 10a und 10b gezeigt ist. Es wird ein Wafer 24 vorgesehen, der ein Substrat 80 aufweist, auf dem eine Vielzahl von Bauelementstrukturen 81a bis 81d ausgebildet ist. Der Spaltabstand zwischen den Elementstrukturen 81a und 81b beträgt 0,25 &mgr;m, während der Spaltabstand zwischen den Elementstrukturen 81a und 81c 0,30 &mgr;m beträgt. Das Seitenverhältnis liegt bei 2,5:1. Auf den Elementstrukturen 81 und dem Substrat 80 im Reaktor dieser Erfindung wird eine Oxidschicht 82 abgeschieden. Wie gezeigt, scheiden der Reaktor 10 und das Verfahren erfolgreich hohlraumfreie Schichten ab, die die Spalte von 0,25 &mgr;m und 0,30 &mgr;m mit hervorragender Stufenabdeckung füllen.

In 11 ist die Abscheidungsrate als Funktion der HF-Vorspannung gezeigt, die bei der Erfindung an den Waferträger angelegt wird. Die Abscheidungsrate ist normalisiert und dargestellt als die Abscheidungsrate pro Silanstrom (&mgr;m pro Minute pro sccm), die dann als Funktion der HF-Vorspannungsleistung (Watt) aufgetragen ist, die an den Waferträger angelegt ist.

Die vorstehende Beschreibung der speziellen Ausführungsformen der Erfindung wurden zum Zwecke der Erläuterung und Beschreibung angegeben. Sie sollen nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die genauen offenbarten Formen beschränken; offensichtlich sind viele Modifizierungen, Ausführungen und Variationen im Lichte der obigen Lehre möglich. Der Rahmen der Erfindung soll durch die beiliegenden Ansprüche definiert sein.


Anspruch[de]
Plasmaverstärkter chemischer Behandlungsreaktor (10)

– mit einer Plasmakammer (18),

– mit einem ersten Gaseinspritzverteiler (15), der mit der Plasmakammer (18) für die Aufnahme wenigstens eines ersten Gases in Verbindung steht und der die Oberseite der Plasmakammer (18) bildet,

– mit einer Quelle für elektromagnetische Energie (12) zum Erregen des wenigstens einen ersten Gases zur Bildung eines Plasmas,

– mit einer Behandlungskammer (16), die mit der Plasmakammer (18) in Verbindung steht, wodurch sich das Plasma in die Behandlungskammer (16) erstreckt,

– mit einem Waferträger (20) zum Halten eines Wafers (24), wobei der Waferträger (20) in der Behandlungskammer (16) angeordnet ist,

– mit einem zweiten Gasverteiler (17), der in der Behandlungskammer (16) angeordnet ist und den Waferträger (20) umgibt, um reaktive Gase zu dem Waferträger zu führen, wodurch die reaktiven Gase mit dem Plasma interagieren um die Oberfläche eines Wafers (24) zu behandeln, der auf dem Waferträger (20) gehalten wird, und

– mit einem Vakuumsystem zum Entfernen von Gasen vom Boden der Behandlungskammer (16).
Reaktor (10) nach Anspruch 1, bei welchem die Quelle für die elektromagnetische Energie (12) eine induktiv gekoppelte Plasmaquelle ist. Reaktor (10) nach Anspruch 1, bei welchem die Quelle für elektromagnetische Energie (12) einen wendelförmigen Resonator (13) und eine kapazitive Abschirmung (19) aufweist, die in dem wendelförmigen Resonator (20) angeordnet ist. Reaktor (10) nach Anspruch 1, bei welchem der Waferträger (20) an wenigstens einer Fläche der Behandlungskammer (16) so befestigt ist, dass der Waferträger (20) in der Prozesskammer (16) aufgehängt ist. Reaktor (10) nach Anspruch 1, bei welchem das Vakuumsystem eine Turbopumpe (26) aufweist. Reaktor (10) nach Anspruch 5, bei welchem das Vakuumsystem weiterhin ein Vakuumtrennventil (25) aufweist, das zwischen der Behandlungskammer (16) und der Pumpe (26) angeordnet ist, um die Behandlungskammer von der Pumpe zu trennen. Reaktor nach Anspruch 1, bei welchem der zweite Gasverteiler (17) eine Vielzahl von im Abstand angeordneten Düsen zum Verteilen von Gasen nahe am Wafer aufweist. Reaktor (10) nach Anspruch 1, bei welchem der Waferträger (20)

– einen Trägerkörper mit einer Trägerfläche zum Halten des Wafers (24),

– eine Spannungsquelle (23), die mit dem Trägerkörper für eine elektrostatische Koppelung des Wafers (24) mit der Trägerfläche gekoppelt ist,

– ein Kühlsystem, das eine Vielzahl von Gasverteilungsnuten aufweist, die in der Trägerfläche (52) ausgebildet und für eine gleichförmige Verteilung einer gasförmigen Substanz zwischen dem Wafer (24) und der Trägerfläche (52) ausgebildet sind und

– wenigstens ein Element mit zwei Enden aufweist, von denen eines an dem Trägerkörper (50) und das andere an einer Fläche der Behandlungskammer (16) festgelegt ist.
Reaktor (10) nach Anspruch 8, bei welchem das wenigstens eine Element an einer vertikalen Fläche der Behandlungskammer (16) so festgelegt ist, dass der Trägerkörper in der Behandlungskammer aufgehängt ist. Reaktor (10) nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, bei welchem das wenigstens eine Element hohl ist und in sich wenigstens eine Leitung für den Durchgang von Kühlmedium zu dem Trägerkörper (50) sowie wenigstens eine Leitung zum Anschließen von Gleichstromenergie an den Waferträger enthält. Reaktor (10) nach Anspruch (10), bei welchem das wenigstens eine Element weiterhin wenigstens eine Leitung zum Einkoppeln von HF-Energie in den Waferhalter aufweist. Reaktor (10) nach Anspruch 1, bei welchem der Waferhalter (20) an einer Schlittenanordnung (86) festgelegt ist, die an der Behandlungskammer (16) so befestigt ist, dass der Waferträger (20) aus der Behandlungskammer entfernt werden kann. Reaktor (10) nach Anspruch 1, bei welchem der erste Gasverteiler (15) wenigstens eine in ihm ausgebildete Kammer für die Aufnahme von wenigstens einer gasförmigen Chemikalie und eine Vielzahl von Löchern aufweist, die mit jeder der wenigstens einen Kammer und den längs der Kammer angeordneten Löchern zum Verteilen der wenigstens einen gasförmigen Chemikalie auf die Plasmakammer (18) in Verbindung steht. Reaktor (10) nach Anspruch 1, bei welchem die Plasmakammer (18) zylindrisch ist, die Behandlungskammer zylindrisch ist und das Vakuumsystem auf der Achse der Behandlungskammer angeordnet ist. Reaktor (10) nach Anspruch 14, bei welchem der zweite Gasverteiler (17) weiterhin so angeordnet ist, dass die reaktiven Gase so geleitet werden, dass sie mit dem Plasma für das Abscheiden einer Materialschicht auf der Oberfläche des Wafers (24) zusammenwirken. Reaktor (10) nach Anspruch 14, bei welchem der zweite Gasverteiler (17) für ein solches Leiten der reaktiven Gase angeordnet ist, dass sie mit dem Plasma zusammenwirken, um die Oberfläche des Wafers (24) zu ätzen. Reaktor (10) nach Anspruch 1, bei welchem

– der Waferträger (20) so angeordnet ist, dass er im Wesentlichen axial zu der Behandlungskammer (16) ausgerichtet ist,

– der zweite Gasverteiler (17) so angeordnet ist, dass er im Wesentlichen axial zu der Behandlungskammer (16) ausgerichtet und zum Leiten der reaktiven Gase zu dem Waferträger (20) ausgelegt ist, wodurch die reaktiven Gase mit dem Plasma zusammenwirken und ein Material auf dem Wafer (24) abscheiden, und

– das Vakuumsystem im Wesentlichen axial zu der Behandlungskammer (16) ausgerichtet ist.
Reaktor (10) nach Anspruch 17, bei welchem der erste Gasverteiler (15)

– eine Vielzahl von Kanälen, die in ihm für ein getrenntes Aufnehmen wenigstens einer gasförmigen Chemikalie und

– eine Vielzahl von Löchern aufweist, die mit jedem der Kanäle in Verbindung stehen, um die wenigstens eine gasförmige Chemikalie getrennt auf die Plasmakammer (16) zu verteilen.
Reaktor (10) nach Anspruch 1, bei welchem der Waferträger (20) auf einer Achse in der Behandlungskammer (16) angeordnet und an wenigstens einer Fläche der Behandlungskammer (16) so festgelegt ist, dass der Waferträger (20) in der Behandlungskammer (16) aufgehängt ist. Verfahren zum Betreiben eines plasmaverstärkten chemischen Behandlungsreaktors (10), der eine Plasmakammer mit einer oberen Fläche, einen ersten Gaseinspritzverteiler (15), der mit der Plasmakammer (18) in Verbindung steht und die obere Fläche der Plasmakammer (18) bildet, eine Behandlungskammer (16), die einen Waferträger (20) zum Halten eines Wafers (24) hat, der in der Behandlungskammer angeordnet ist, und einen zweiten Gasverteiler (17) zum Leiten von reaktiven Gasen zu dem Waferträger hin aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

– Erzeugen eines Plasmas in der Plasmakammer (18),

– Verweisen des Plasmas auf ein erstes Spannungspotential längs der oberen Fläche und

– Anlegen von HF-Energie an den Waferträger, wodurch ein zweites Spannungspotential erzeugt wird,

– wobei die Differenz zwischen dem ersten Spannungspotential und dem zweiten Spannungspotential eine Diffusion des Plasmas zu dem Bereich in unmittelbarer Nähe des Waferträgers (20) induziert.
Verfahren nach Anspruch 20, welches den zusätzlichen Schritt aufweist, wenigstens eine gasförmige Chemikalie in die Behandlungskammer (16) in der Nähe des Waferträgers (20) einzuführen, wodurch die wenigstens eine gasförmige Chemikalie und das Plasma in der Nähe des Waferträgers (20) so interagieren, dass eine Materialschicht auf dem Wafer (24) abgeschieden wird. Verfahren nach Anspruch 20, welches den zusätzlichen Schritt aufweist, wenigstens eine gasförmige Chemikalie in die Behandlungskammer (16) in der Nähe des Waferträgers (20) und in die Plasmakammer (16) einzuführen, wodurch die wenigstens eine gasförmige Chemikalie und das Plasma in der Nähe des Waferträgers (20) zum Abscheiden einer Materialschicht auf dem Wafer (24) zusammenwirken. Verfahren nach Anspruch 20, welches den zusätzlichen Schritt aufweist, wenigstens eine gasförmige Chemikalie in die Behandlungskammer (16) einzuführen, wodurch die wenigstens eine gasförmige Chemikalie und das Plasma in der Nähe des Waferträgers (20) zum Ätzen der Oberfläche des Wafers (24) interagieren. Verfahren nach Anspruch 20, welches den zusätzlichen Schritt aufweist, wenigstens eine gasförmige Chemikalie in die Behandlungskammer und in die Plasmakammer einzuführen, wodurch die wenigstens eine gasförmige Chemikalie und das Plasma nahe an dem Waferträger zum Ätzen der Oberfläche des Wafers interagieren. Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem der Schritt des Verweisens des Plasmas weiterhin das Bereitstellen einer Verbindung für die obere Fläche mit der elektrischen Masse und das Erzeugen eines Potentials in dem Bereich von im Wesentlichen 10 bis 30 Volt an der oberen Platte aufweist. Verfahren nach Anspruch 20, bei welcher der Schritt des Anlegens von HF-Energie an den Waferträger (20) weiterhin das Anlegen von HF-Energie im Bereich von im Wesentlichen 1 bis 60 MHz aufweist. Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem der Schritt des Anlegens von HF-Energie an den Waferträger (20) weiterhin das Anlegen von HF-Energie bei etwa 3,39 MHz aufweist. Verfahren nach Anspruch 20, welches den zusätzlichen Schritt aufweist, wenigstens eine gasförmige Chemikalie in die Plasmakammer (16) einzuführen, wodurch sich die wenigstens eine gasförmige Chemikalie in die Behandlungskammer erstreckt und die Oberflächen der Plasma- und Behandlungskammer (18, 16) reinigt.






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