DE68922807T2

DE68922807T2 - Phasengeteilter Treiber für ein Plasmaätzsystem.

Info

Publication number: DE68922807T2
Application number: DE68922807T
Authority: DE
Inventors: John Milpitas Ca. 95035 Ogle; Gerald San Jose Ca. 95129 Yin
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 1988-09-15
Filing date: 1989-09-09
Publication date: 1995-12-21
Anticipated expiration: 2009-09-10
Also published as: DE68922807D1; KR0141605B1; JPH0691043B2; US4871421A; KR900005855A; EP0359153A2; EP0359153B1; JPH02177429A; DE68922807T3; EP0359153B2; EP0359153A3

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf den Aufbau und den Betrieb von Plasmaätzsystemen, und genauer gesagt, auf Verfahren und Vorrichtungen für die Leistungsversorgung von Einzelwafer-Plasmaätzsystemen einschließlich eines Paares von parallelen, einander gegenüberliegenden Elektroden.
Einzelwafer-Parallelplatten-Plasmaätzsysteme umfassen eine untere Elektrode, generell als eine Halteelektrode bezeichnet, und eine gegenüberliegende obere Elektrode, generell als eine Gegenelektrode bezeichnet. Jede Elektrode kann von einem Funkfrequenzsignal mit Leistung versorgt werden, während die andere Elektrode an Masse liegt, um das Plasma zu induzieren, das für die Ausführung des Ätzens erforderlich ist.
Um die Ätzrate, die von dem Plasmaätzsystem bereitgestellt wird, zu vergrößern, ist es wünschenswert, eine hohe Spannung über den Elektroden zu induzieren, was sehr hohe Energiepegel dem System zuführt. Die Spannung, die angelegt werden kann, ist jedoch begrenzt durch das Auftreten von Streuentladungen und Bogenbildung zwischen der angesteuerten Elektrode und dem an Masse liegenden Reaktorgehäuse. Solche Entladungen führen HF-Leistung ab, können die Anlage beschädigen und, am wichtigsten, verursachen sie Diskontinuitäten und Instabilitäten in dem Plasma, was Ungleichförmigkeit in der Ätzrate über dem Wafer hervorrufen kann.
Es wäre deshalb wünschenswert, eine Vorrichtung und Verfahren für die Ausführung des Plasmaätzens bei relativ hoher Spannung und Leistungspegeln zu schaffen, ohne das Auftreten von Bogenbildung und Streuentladungen, wie gerade beschrieben wurde.

2. Beschreibung des Technikhintergrundes

U.S.-Patent Nr. 4,626,312 offenbart ein Plasmaätzsystem mit einem Plasmareaktor einschließlich einer elektrisch isolierten oberen Eleketrode und einer elektrisch isolierten unteren Elektrode in einer an Masse liegenden Kammer, einem an Masse liegenden Generator, der eine Hochfrequenzeingangsspannung erzeugt, mit Mitteln für das Aufteilen der Eingangsspannung in eine erste Ausgangsspannung und eine zweite Ausgangsspannung, welche erste und zweite Ausgangsspannung im wesentlichen gleiche Größen haben relativ zu Masse, jedoch etwa 180º außer Phase sind, und Mitteln für das Ankoppeln der ersten Ausgangsspannung an die obere Elektrode und der zweiten Ausgangsspannung an die untere Elektrode. Dieses Dokument schlägt vor, daß die elektrischen Streuentladungen in Parallelplatten-Plasmareaktoren verringert werden können durch Aufteilen der angelegten Spannung zwischen der oberen und der unteren Elektrode. Zwei spezifische Systeme für das Erreichen solcher Spannungsaufteilung werden beschrieben. Das erste System wird verwendet in Niederfrequenzreaktoren (400 kHz) und verwendet einen massefreien HF-Generator zur Speisung der Elektroden in einer an Masse liegenden Reaktorkammer. Es wird offensichtlich angenommen, daß die über den Elektroden angelegte Spannung etwa gleich gegenüber dem Massepotential des Reaktorkessels schwimmt, womit die Potentialdifferenz zwischen jeder Elektrode und Masse minimiert wird. Während dies generell erzielbar ist, kann die gewünschte gleiche Verteilung der Spannung zwischen den Elektroden nicht vollständig realisiert werden wegen Asymmetrien in dem Aufbau des Reaktorkessels, der Elektroden und der elektrischen Zuführungsleitungen wie auch wegen der unabgeglichenen Impedanzbelastung, die von dem Wafer auf die Gegenelektrode ausgeübt wird. Demgemäß kann eine präzise Aufteilung der angelegten Spannung nicht erfolgen und die theoretische Maximalspannung kann nicht verwertet werden.
Das zweite System ist primär für Hochfrequenz-Plasmaätzreaktoren (13 MHz) bestimmt und umfaßt einen an Masse liegenden HF-Generator, der über den einander gegenüberliegenden Elektroden angeschlossen ist mit einem variablen Induktor zwischen der Spannelektrode und Masse. Dieser Induktor bewirkt eine Phasenverschiebung in der Spannung an der Spannelektrode, die zusammen mit der Phasenverschiebung, herrührend von der kapazitiven Natur der Elektroden selbst, in einer Phasenverschiebung zwischen den Spannungen auf den beiden Elektroden resultiert, welche sich 180º nähert. Wie man in Fig. 3 des Patents jedoch erkennen kann, erreicht die Phasenverschiebung nicht 180º, so daß die maximale Potentialdifferenz über dem Plasma ohne Bogenbildung nicht erreicht werden kann.
Siehe auch U.S.-Patent Nr. 4,399,016; 4,253,907 und 4,134,817, welche alternative Systeme für die Leistungsspeisung von Parallelplatten-Plasmareaktoren offenbaren.
Aus diesen Gründen wäre es wünschenswert, ein System und Verfahren für die Aufteilung der Spannung zwischen der oberen und der unteren Elektrode in einem Plasmaätzsystem in vollständig kontrollierter Weise zu schaffen zwecks Maximierung der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden, die verwendet werden kann, um ein Plasma zu induzieren, ohne Streuentladungen zwischen einer der Elektroden und der Reaktorkammer hervorzurufen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und Verfahren für das Ätzen von Halbleiterwafern in Parallelplatten-Plasmareaktoren, wo eine gewünschte Potentialdifferenz zwischen Elektroden des Reaktors erreicht wird durch Anlegen von zwei Spannungen im wesentlichen gleicher Höhe, jedoch präzise 180º außer Phase an die obere bzw. untere Elektrode. Die Reaktorkammer liegt an Masse und die Spannungen, angelegt an die Elektroden, werden festgelegt relativ zu Masse derart, daß das maximale Potential, erzeugt zwischen jeder Elektrode und dem Reaktorkessel, minimiert werden kann, während gleichzeitig die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden maximiert wird. Auf diese Weise kann maximale Ätzleistung bereitgestellt werden, während Bogenbildung und Streuentladungen herabgesetzt oder eliminiert werden, die sonst in dem Reaktorkessel auftreten könnten. Darüber hinaus liefert die gleichförmige Aufteilung der Leistung zwischen den beiden Elektroden ein gut fokussiertes, stabiles Plasma zwischen ihnen.
In der bevorzugten Ausführungsform verwendet ein Plasmaätzsystem einen konventionellen Funkfrequenz-(HF)-Generator und eine Plasmareaktorkammer mit parallelen oberen und unteren Elektroden. Der Ausgang des HF-Generators wird durch eine Phaseninverterschaltung transformiert, die einen Transformator mit einer mittig angezapften Sekundärwicklung verwendet. Die Primärwindung des Transformators wird mit dem HF-Generator gekoppelt und erste und zweite Anschlüsse der Sekundärwindung sind mit der oberen bzw. unteren Elektrode verbunden. Eine solche Schaltung stellt sicher, daß die an die Elektrode angelegte Wellenform im wesentlichen gleich ist, jedoch 180º außer Phase. Impedanzanpaßelemente werden in der Schaltung vorgesehen zum Maximieren der Leistungsübertragung, und eine variable Induktivität wird vorgesehen zur Phasenabstimmung.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm zur Illustration der bevorzugten Schaltung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung zur Illustration des Potentials an der oberen Elektrode (Vu), des Potentials an der unteren Elektrode (V&sub1;) wie auch der Netto-Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden (VΔ).

BESCHREIBUNG DER BESTIMMTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Gemäß Fig. 1 umfaßt ein Plasmaätzsystem 10, aufgebaut gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, einen Hochfrequenz-(HF)- Generator 12, dessen Ausgang an einen Einzelwafer-Parallelplatten- Plasmareaktor 14 über eine zwischengeschaltete Phasenumkehrschaltung 16 angekoppelt ist, wie im Detail nachstehend erläutert.
Der HF-Generator 12 kann von einer Bauart sein, die generell von Fachleuten als geeignet für die Ansteuerung konventioneller Plasmaätzreaktoren angesehen wird. Der HF-Generator wird üblicherweise mit niedrigen HF-Frequenzen (etwa 400 kHz) arbeiten mit einem niederimpedanten Ausgang (üblicherweise etwa 50 Ohm). Der Generator 12 wird in der Lage sein, zwischen 1 bis 10 Ampere zu erzeugen, üblicherweise von etwa 1 bis 5 Ampere, bei einer Wirkspannung von mindestens etwa 100 Volt, üblicherweise mindestens etwa 200 Volt oder mehr. Zweckmäßigerweise werden die Ausgangsleitungen 18 die Form eines Koaxialkabels haben, wobei 18b der an Masse liegende Abschirmabschnitt des Kabels ist.
Der Plasmareaktor 14 ist ebenfalls von konventionellem Aufbau und umfaßt eine obere oder Gegenelektrode 19 und eine untere oder Halteelektrode 21. Ein Halbleiterwafer W wird generell auf der unteren Elektrode 21 plaziert, ein geeignetes Ätzgas wird bei sehr niedrigen Drücken eingespeist und Hochfrequenzleistung wird an die Elektroden 19 und 21 angelegt zum Induzieren des gewünschten Plasmas für das Ätzen. Der Aufbau und der Betrieb von Plasmaätzreaktoren, geeignet für die Verwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung, sind beschrieben in U.S.-Patent Nr. 4,433,951, dessen Offenbarung hier in Bezug genommen wird.
Der Aufbau des Plasmaätzreaktors 14 ist nichtkonventionell in einer Hinsicht. Sowohl die Elektroden 19 als auch 21 sind elektrisch isoliert von den übrigen Teilen des Reaktorkessels, während die Wandungen des Reaktorkessels an Masse gelegt sind oder auf einer festen Referenzspannung gehalten werden. Bisher haben die meisten Plasmareaktoren eine an Masse liegende Elektrode verwendet mit an die gegenüberliegende Elektrode angelegter Spannung.
Der Phasenumkehrschaltkreis 16 der vorliegenden Erfindung umfaßt generell einen Transformator 20 mit einer Primärspule 22, einer Sekundärspule 24 und einem Ferritkern 26. Während dies in Fig. 1 aus Gründen der Vereinfachung nicht so dargestellt ist, sind die Primärspule 22 und die Sekundärspule 24 elektromagnetisch über den Kern 26 gekoppelt. Die Sekundärspule 24 wird eine an Masse liegende Mittelanzapfung 28 aufweisen mit einem ersten Anschluß 30 mit der oberen Elektrode 19 verbunden, und einen zweiten Anschluß 32, verbunden mit der unteren Elektrode 21. Der Ausgang des HF-Generators 12 wird an die Primärspule 22 angekoppelt (wie im einzelnen nachstehend erläutert), was dazu führt, daß Spannungssignale mit im wesentlichen gleicher Höhe, jedoch 180º außer Phase an die obere bzw. untere Elektrode 19 bzw. 20 angelegt werden. Die Frequenz, angelegt an jede der Elektroden, wird natürlich dieselbe sein wie jene, die von dem HF-Generator 12 geliefert wird, typischerweise 400 khz, und die Höhe wird abhängen sowohl von der Ausgangsspannung des HF-Generators als auch dem Verhältnis der primären und der sekundären Wicklungen in dem Transformator. Üblicherweise wird der Transformator 20 ein Übersetzungsverhältnis im Bereich von 2 bis 8 haben, gewöhnlich etwa 4. Demgemäß wird die Maximalspannung, angelegt an jede Elektrode, im allgemeinen im Bereich von etwa 50 bis 400 V (Wirkspannung) liegen, gewöhnlich im Bereich von etwa 75 bis 300 V (Wirkspannung).
Betrachtet man nun Fig. 2, kann man erkennen, daß die Spannung an der oberen Elektrode 19 (Vu) und die Spannung an der unteren Elektrode 21 (V&sub1;) identische Größe haben, jedoch um 180º außer Phase sind. Die Maximal spannung an jeder der Elektroden 19 und 21 wird einen Absolutwert von Vmax haben, so daß die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden einen Absolutwert von 2Vmax haben wird (VΔ = Vu - V&sub1;). Auf diese Weise kann die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden maximiert werden, wobei die Maximalpotentialdifferenz zwischen jeder Elektrode und dem Reaktorkessel nur die Hälfte der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden beträgt, da der Kessel an Masse liegt.
Um die Phasenkomponente des HF-Signals, das dem Plasmareaktor 14 zugeführt wird, abzustimmen, ist eine Induktivität 40 in Serie mit dem Ausgang 18a des HF-Generators 12 geschaltet. Die Induktivität 40 wird typischerweise einen Induktivitätswert im Bereich von etwa 10 uH bis etwa 100 uH haben, wobei die Induktivität wählbar ist auf Basis mehrfacher Anzapfungen 42. Die Abstimmung kann erfolgen mit entweder einem manuell betätigten Schalter oder mittels eines automatischen Regelsystems mit geschlossener Schleife.
Die Primärspule 22 des Transformators 20 wird ebenfalls mehrfache Anzapfungen 44 aufweisen. Die Auswahl der Anzapfung 44 ermöglicht die Impedanzeinstellung im Bereich von etwa 100 bis 300 Ohm, um eine angemessene Impedanzanpassung zu ermöglichen zwecks maximalen Leistungstransfers zwischen dem HF-Generator 12 und dem Reaktorkessel 14. Die Änderung der Anzapfung 44 wird selbstverständlich auch das Übersetzungsverhältnis des Transformators 20 beeinflussen.
Die Einfügung sowohl der Phasenanpassung als auch der Impedanzanpassung sind beide im Stand der Technik bekannt und brauchen nicht weiter erläutert zu werden. Beide Einstellungen können entweder manuell erfolgen oder ein automatisches Regelsystem mit geschlossener Schleife verwenden.
Optional kann eine Gleichvorspannung an den Elektroden 19 und 21 eingespeist werden durch Einfügung von Kondensatoren 50 und 52 in den Ausgangs leitungen des Transformators 20. Wiederum ist die Einfügung eines solchen Gleichvorspannungsmittels im Stand der Technik bekannt und braucht nicht weiter erläutert zu werden.

Claims

1. Ein Plasmaätzsystem, umfassend:

einen Plasma-Reaktor (14) mit einer elektrisch isolierten oberen Elektrode (19) und einer elektrisch isolierten unteren Elektrode (21) in einer mit Masse verbundenen Kammer,

einen mit Masse verbundenen Generator (12) zur Erzeugung einer Hochfrequenzeingangsspannung,

Mittel (22-28) für das Aufteilen der Eingangsspannung in eine erste Ausgangsspannung und eine zweite Ausgangsspannung, welche erste und zweite Ausgangsspannungen im wesentlichen gleiche Höhe relativ zu Masse haben, jedoch um 180º phasenverschoben sind, und

Mittel (30, 32) für das Ankoppeln der ersten Ausgangsspannung an die obere Elektrode und die zweite Ausgangsspannung an die untere Elektrode, wobei die Mittel für das Unterteilen der Eingangsspannung ein Transformator (22, 24, 26) sind mit einer Primärwindung (22) und einer mittig angezapften Sekundärwicklung (24), wobei die Primärwindung mit dem Hochfrequenzgenerator (12) gekoppelt ist und die Klemmen der Sekundärwicklung an die Elektroden angekoppelt sind, während die Mittenanzapfung (28) mit Masse verbunden ist.

2. Ein Plasmaätzsystem nach Anspruch 1, bei dem der Generator eine Hochfrequenz von etwa 400 kHz erzeugt.

3. Ein Plasmaätzsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend Mittel (40, 44) für das Anpassen der Impedanz des Plasmas an den Hochfrequenzgenerator.

4. Ein Plasmaätzsystem nach Anspruch 3, bei dem die Impedanzanpaßmittel eine variable Induktivität (40) umfassen, die in Serie mit dem Ausgang des Hochfrequenzgenerators geschaltet ist.

5. Ein Plasmaätzsystem nach Anspruch 4, bei dem die Impedanzanpaßmittel ferner eine variable Primärwicklung (22, 44) auf dem Transformator umfassen.