DE69934000T2

DE69934000T2 - Plasma-bearbeitungs-kammer und verfahren zur kontrolle von verunreinigungen

Info

Publication number: DE69934000T2
Application number: DE69934000T
Authority: DE
Inventors: M. Alan Ben Lomond SCHOEPP; E. Thomas Reno WICKER; A. Robert Cupertino MARASCHIN
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2019-03-27
Also published as: EP1068632A1; ATE345577T1; DE69934000D1; JP2002510858A; KR100602072B1; KR20010042268A; TW575676B; WO1999050886A1; EP1068632B1; JP4554815B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Verbesserungen einer Plasmaprozesskammer und einem Verfahren zur Prozessierung eines Substrats in der Plasmaprozesskammer, beispielsweise das Plasmaätzen einer Oxidschicht eines Halbleiterwafers.
Hintergrund der Erfindung
Vakuumprozesskammern werden im Allgemeinen dazu verwendet, chemische Gasphasenabscheidungen (chemical vapor deposition – CVD) und das Ätzen von Materialien auf Substraten durch die Zuführung von Prozessgas in die Vakuumkammer und die Behandlung des Gases mittels eines Hochfrequenzfeldes auszuführen. Beispiele für Parallelplattenreaktoren mit transformatorgekoppeltem Plasma (TCP^TM, auch als ICP bezeichnet) und Elektronzyklotronresonanzreaktoren (ECR) werden durch die gemeinfreien US-Patente US 4,340,462 ; US 4,948,458 und US 5,200,232 offenbart. Die Substrate werden in der Vakuumkammer während des Prozessierens durch Substrathalter fixiert.
Konventionelle Substrathalter umfassen mechanische Klammern und elektrostatische Klammern (ESC). Beispiele für mechanische Klammern und ESC-Substrathalter werden durch das gemeinfreie US-Patent US 5,262,029 und das am 10. März 1995 eingereichte US-Patent US 5,671,116 offenbart. Wie durch das US-Patent US 4,579,618 offenbart, können als Elektroden ausgebildete Substrathalter der Kammer Hochfrequenzenergie (HF) zuführen. Gemäß dem US-Patent US 5,292,399 können metallische Oberflächen des Wafer-Trägers und des Klemmringmechanismus mit einem isolierenden Material bedeckt werden, um Korrosion durch das Plasma zu verhindern und elektrisch leitfähiges Material kann dazu verwendet werden, um elektrische Durchschläge, die sich aufgrund von Ladungsansammlungen an den isolierten Oberflächen bilden, zu reduzieren.
Plasmaprozesssysteme, für die eine Antenne, die mit einer Hochfrequenzquelle verbunden ist, dazu dient, Gas in einer Prozesskammer in den Plasmazustand zu überführen, werden durch die US-Patente US 4,948,458 ; US 5,198,718 ; US 5,241,245 und US 5,401,350 offenbart. Für solche Systeme ist die Antenne außerhalb der Prozesskammer angeordnet und die Hochfrequenzenergie wird der Kammer durch ein dielektrisches Fenster zugeführt. Derartige Systeme für das Prozessieren können für eine Vielzahl von Prozessierungsanwendungen für Halbleiter, beispielsweise Ätzen, Schichtabscheiden, Abnahme von Fotolack usw., verwendet werden.
Ferner klärt der Anmelder durch Bezugnahme auf die EP-A-0-821 397 über den Stand der Technik auf, die einen zusammengesetzten Gegenstand aus Siliziumcarbid, der besonders vorteilhaft für Plasmareaktoren eingesetzt werden kann, und Verfahrensschritte und Komponenten, welche jenen entsprechen, die in den hier dargestellten Ansprüchen 1 und 12 genannt sind, offenbart.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, Metall- und/oder Partikelkontaminationen auf plasmaprozessierten Substraten zu reduzieren, für den Fall, dass die Prozessierung der Substrate kontinuierlich erfolgt. Die US-A 5,085,727 beschreibt ein Verfahren zur Prozessierung eines Substrats und eine Prozesskammer zur Ausführung des Verfahrens.
Entsprechend offenbart die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Prozessierung eines Substrats gemäß Anspruch 1.
Die Prozesskammer kann eine im Wesentlichen ebene Antenne umfassen und das Prozessgas kann durch die Zuführung von Hochfrequenzenergie zur Antenne in den Plasmazustand angeregt werden. Das Plasma kann ein Plasma hoher Dichte umfassen und die Substrate können durch das Ätzen einer Oxidschicht auf den Substraten mittels des Plasmas hoher Dichte prozessiert werden, während gleichzeitig den Substraten eine Hochfrequenz-Vorspannung zugeführt wird.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Plasmaprozesskammer nach Anspruch 12 angegeben.
Es wird wenigstens eine weitere exponierte Oberfläche, die aus Siliziumcarbid basiertem Material besteht, bereitgestellt, wobei die weitere exponierte Oberfläche durch eine Gasverteilerplatte, die der Zuführung von Prozessgas zur Prozesskammer dient, durch eine perforierte Prallplatte, die zwischen dem Substrathalter und der Innenverkleidung angeordnet ist, und durch die Innenverkleidung und/oder den den Substrathalter umgebenden Fokussier-Ring festgelegt ist. Die Innenverkleidung, die Gasverteilerplatte, die Prallplatten und/oder der Fokussier-Ring bestehen im Wesentlichen aus heiß gepressten, gesinterten, mittels CVD abgeschiedenen oder reaktionsgebundenen SiC oder einem Kompositmaterial mit einer die exponierte Oberfläche bildenden Beschichtung aus SiC. Die Kammer kann ferner ein dielektrisches Fenster umfassen, das angrenzend zur Gasverteilerplatte angeordnet ist, und die Hochfrequenzenergiequelle oder die ebene Antenne können angrenzend zu dem Fenster angeordnet werden, um durch das Fenster Energie dem Prozessgas in der Prozesskammer zuzuführen, um dieses in den Plasmazustand anzuregen. Die Antenne wird so angeordnet, dass die Gasauslässe der Gasverteilerplatte nicht unmittelbar zwischen dem Substrathalter und der Antenne angeordnet sind. Das dielektrische Fenster kann eine im Wesentlichen gleichförmige Materialstärke aufweisen und ist im Wesentlichen eben ausgebildet und die Gasverteilerplatte kann eine im Wesentlichen gleichförmige Materialstärke aufweisen und ist im Wesentlichen eben ausgestaltet.
Kurzbeschreibung der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung detailliert im Zusammenhang mit den beigeschlossenen Figuren dargestellt, indem übereinstimmende Elemente dieselben Bezugszeichen tragen und indem im Einzelnen folgendes dargestellt ist:
1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Vakuumprozesskammer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Querschnittsansicht einer modifizierten Vakuumprozesskammer gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Innenverkleidung eine zylindrische Form aufweist;
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Bereichs einer modifizierten Vakuumprozesskammer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, wobei die Innenverkleidung einen zylindrischen Bereich und einen konischen Bereich umfasst; und
4 zeigt einen Prallring, der in einer erfindungsgemäßen Prozesskammer verwendet werden kann.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungsbeispiele
Bei der Plasmaprozessierung von Halbleitersubstraten, wie Siliziumwafern, erzeugen Plasmen hoher Dichte üblicherweise sehr hohe Erosionsraten auf den Innenflächen der Kammer, mit denen sie in Kontakt treten, aufgrund eines physikalischen und/oder chemischen Sputterns. Dies ist von großer Bedeutung bei der Anwendung für die Waferprozessierung in der Halbleiterindustrie, da die Bauteile auf dem Wafer gegenüber Kontamination durch Metalle, die tiefliegende Unreinheiten im Silizium darstellen, beispielsweise Nickel und Eisen, durch Alkalimetalle, beispielsweise Natrium und Kalium, die bewegliche Ionen in den Gate-Oxiden der Bauteile darstellen und welche Instabilitäten der Schwellwertspannung verursachen, und durch Metalle, beispielsweise Aluminium, welche Leckageströme an den Sperrschichten der Bauteile erzeugen, empfänglich sind, was beispielsweise zu kurzen Auffrischungszeiten für DRAM-Speicherzellen führt. Aus diesem Grund werden die dem Plasma hoher Dichte ausgesetzten Flächen der Kammer für solche Vorrichtungen zur Waferprozessierung normalerweise mit einem nichtmetallischen Material, beispielsweise Aluminiumoxid oder Quarz, bedeckt.
Aluminiumoxid und Quarz stellen dielektrische Materialien dar, die gegenüber dem HF-Strom zur Aufrechterhaltung des Plasmas und dem HF-Strom, der zum Erzeugen einer Vorspannung auf dem Wafer verwendet wird, eine hohe Impedanz aufweist. Als Folge besteht für den HF-Strom durch das Plasma kein guter Erdungspfad und es resultieren Instabilitäten, so dass nichtreproduzierbare Ätzresultate folgen. Ferner kann aufgrund der Ladungsanhäufung auf den dielektrischen Materialien ein elektrischer Durchschlag resultieren und folglich ein lokalisiertes Sputtern der dielektrischen Materialien.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine Innenverkleidung, die als Seitenwandung in der Prozesskammer dient und die als separate Komponente eine Oberfläche aus Siliziumcarbid (SiC) aufweist, das ein konsumierbares Material für die Kammerflächen darstellt, wodurch die Kontamination des zu prozessierenden Substrats durch Metalle und/oder Partikel verhindert wird. Die Innenverkleidung ist elektrisch leitfähig, so dass sie beim Kontakt mit dem Plasma einen guten Erdungspfad für den HF-Strom darstellt. Die Innenverkleidung aus SiC stellt eine geerdete Fläche zur Verfügung, die gegenüber einer durch Ionenbombardierung ausgelösten Erosion resistent ist und die das Plasmapotential auf den Innenflächen der Kammer reduziert. Die Innenverkleidung kann vollständig aus SiC bestehen oder aus einem mit SiC beschichteten Material, wie beispielsweise mit SiC beschichtetes Graphit oder grundsätzlich SiC mit einer Zugabe von 10 bis 20 % Si, die dazu dient, die poröse Struktur im reaktionsgebundenen SiC aufzufüllen. Das SiC wird mit geringer Rate durch das Plasma abgeätzt, was diese Komponente zu einem kostengünstigen, konsumierbaren Bauteil werden lässt. Da ferner das SiC von hoher Reinheit ist, wird die Kontamination der Wafer, welche aus dem chemischen Sputtern des SiC durch das Plasma resultiert, minimiert. Ferner kann die geerdete SiC-Innenverkleidung das Sputtern weiterer Innenflächen der Kammer verringern, indem das Plasmapotential verringert wird und sich entsprechend die Aufschlagsenergie der Ionen auf diese nicht aus Siliziumcarbid bestehenden Oberflächen verringert. In dem Ausmaß, wie die SiC-Komponente Aluminiumoxid als Innenfläche der Kammer ersetzt, reduziert sich die Kontamination des Wafers. Ferner führt die SiC-Komponente zu einem sehr stabilen Plasmapotential, so dass die Resultate des Ätzens innerhalb einer einzelnen Kammer und von Kammer zu Kammer wiederholbarer werden.
Die Erfindung führt dadurch zu Fortschritten, indem die Kontamination der Substrate, beispielsweise Halbleiterwafer, Substrate für Flachbildschirme und dergleichen, reduziert wird. Die Verringerung der Kontamination kann dadurch verstärkt werden, dass Siliziumcarbid als Material für zusätzliche Elemente verwendet wird, die benachbart zu dem in der Kammer zu prozessierenden Substrat liegende, exponierte Oberflächen aufweisen. Derartige zusätzliche Elemente umfassen nichtelektrisch betriebene Kammerkomponenten, beispielsweise Fokussier-Ringe, Gasverteilerplatten, Prallplatten und dergleichen. Die Innenverkleidung führt zu einer verbesserten Ableitung der Hochfrequenzspannung der leistungsbeaufschlagten Elektrode (Bodenelektrode) in der Waferhalterung.
Beim Plasmaätzen können Strukturen in Schichten unterschiedlicher Materialien auf Substraten wie Siliziumwafern eingeätzt werden. Für solche Ätzprozesse kann eine Gasverteilerplatte verwendet werden, um die örtliche Verteilung des Gasflusses in das Volumen des Reaktors oberhalb der Waferebene einzuregeln. In dem TPC- 9100^TM-Plasmaätzreaktor von LAM Research Corporation ist die Gasverteilerplatte kreisförmig ausgebildet und unmittelbar unterhalb des TCP^TM-Fensters angeordnet, welches darüber hinaus die vakuumdichte Abdichtungsfläche im oberen Bereich des Reaktors in einer Ebene oberhalb und parallel zum Wafer darstellt. Die Gasverteilerplatte wird durch die Verwendung eines O-Rings an einem Gasverteilerring, der im Bereich des Außenumfangs der Gasverteilerplatte angeordnet ist, abgedichtet. Der Gasverteilerring führt Gas von einer Quelle in ein Volumen ein, das von der Gasverteilerplatte, einer Innenfläche eines Fensters, das unterhalb einer Spule angeordnet ist, die Hochfrequenzenergie dem Reaktor zuführt, und dem Gasverteilerring festgelegt wird. Die Gasverteilerplatte umfasst eine Matrix aus Löchern mit definiertem Durchmesser, die sich durch die Platte hindurch erstrecken. Die örtliche Verteilung dieser Löcher durch die Gasverteilerplatte kann variiert werden, um die Uniformität der Ätzung der zu ätzenden Schichten, beispielsweise einer Fotolackschicht, einer Siliziumdioxidschicht und darunter angeordneter Materialien auf dem Wafer, zu optimieren. Die Querschnittsform der Gasverteilerplatte kann abgewandelt werden, um die Zuführung der Hochfrequenzenergie zum Plasma im Reaktor beeinflussen zu können. Das Material der Gasverteilerplatte muss dielektrisch sein, um das Einkoppeln der Hochfrequenzenergie in dem Reaktor durch die Gasverteilerplatte hindurch zu ermöglichen. Ferner muss das Material für die Gasverteilerplatte hochgradig resistent gegenüber chemischer Sputter-Ätzung in einer Umgebungsatmosphäre wie beispielsweise Sauerstoff- oder einem Fluorkohlenwasserstoffgas-Plasma sein, um ein Bauteilversagen und die hieraus resultierende Partikelerzeugung zu vermeiden. Ferner soll das Material für die Gasverteilerplatte einen niedrigen Anteil an Kontaminierungen umfassen, welche andernfalls Leistungsfähigkeit der Bauteile auf dem Wafer beeinflussen könnten. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Gasverteilerplatte aus einem speziell hergestellten Siliziumcarbid mit einem hohen Widerstand bestehen.
Es wurde überraschenderweise und unerwartet aufgefunden, dass die Verwendung von Siliziumcarbid für die Innenwandung der Kammer zu einer deutlich verbesserten Leistungsfähigkeit gegenüber Materialien, wie beispielsweise Aluminiumnitrid und Aluminiumoxid, führte.
Eine Vakuumprozesskammer gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird in 1 dargestellt. Die Vakuumprozesskammer 10 umfasst einen Substrathalter 12, der auf das Substrat 13 eine elektrostatische Klemmkraft aufbringt sowie dem Substrat eine Hochfrequenzvorspannung zuführt, während gleichzeitig dessen Rückseite mit He gekühlt wird. Ein Fokussier-Ring 14, umfassend einen dielektrischen äußeren Ring 14A und einen inneren Ring 14B aus SiC, schließt das Plasma in einem Bereich oberhalb des Substrats ein. Eine Energiequelle zur Aufrechterhaltung eines Plasmas hoher Dichte (z. B. 10¹¹-10¹² Ionen/cm³) in der Kammer, beispielsweise eine Antenne 18, die mit einer geeigneten Hochfrequenzquelle und einem geeigneten Hochfrequenzimpedanzanpassungsschaltkreis verbunden ist, koppelt induktiv Hochfrequenzenergie in die Kammer 10 ein, um ein Plasma hoher Dichte zu erzeugen. Die Kammer umfasst eine geeignete Vakuumpumpenanordnung, um im Innern der Kammer einen gewünschten Druck aufrecht zu erhalten (z. B. unterhalb von 50 mTorr, typischerweise 1-20 mTorr). Ein im Wesentlichen ebenes dielektrisches Fenster 20 mit gleichmäßiger Materialstärke, das zwischen der Antenne 18 und dem Inneren der Prozesskammer 10 vorgesehen ist, formt die vakuumdichte Wandung im oberen Bereich der Prozesskammer 10. Eine Gasverteilerplatte 22 ist unterhalb des Fensters 20 vorgesehen und umfasst eine Öffnung, wie beispielsweise kreisringförmige Löcher für die Zuführung von Prozessgas von einer Gasquelle 23 zur Kammer 10. Erfindungsgemäß erstreckt sich eine separate, konische Innenverkleidung 30 mit einer exponierten Oberfläche, die als Seitenwandung der Kammer 10 wirkt und die aus einem auf Siliziumcarbid basierenden Material besteht, von der Gasverteilerplatte aus und umgibt den Substrathalter 12. Die Innenverkleidung 30 ist elektrisch geerdet, um einen Pfad für die Ableitung von Hochfrequenzenergie bereitzustellen. In der Antenne 18 kann ein Kanal 24 vorgesehen sein, durch den über einen Einlass- und einen Auslasskanal 25, 26 Flüssigkeit zur Temperaturregelung zugeführt wird. Allerdings können die Antenne 18 und/oder das Fenster 20 auch durch andere Techniken gekühlt werden, beispielsweise indem über die Antenne und das Fenster Luft geblasen wird, indem ein Kühlungsmedium durchgeleitet wird oder indem ein Kontakt für den Wärmeübertrag am Fenster und/oder an der Gasverteilerplatte geschaffen wird usw.
Für den Betrieb wird der Wafer auf dem Substrathalter 12 in Position gebracht und wird typischerweise dann, wenn eine rückseitige Kühlung mit He erfolgt, mittels einer elektrostatischen Klammer, einer mechanischen Klammer oder einem anderen Klammermechanismus fixiert. Das Prozessgas wird dann der Vakuumprozesskammer 10 zugeführt, indem das Prozessgas durch den Spalt zwischen dem Fenster 20 und der Gasverteilerplatte 22 hindurchtritt. Geeignete Gasverteilerplattenanordnungen (z. B. duschkopfförmige Anordnungen) werden durch das gemeinfreie US-Patent US 5,824,605 ; US 6,048,798 ; US 5,863,376 offenbart, wobei deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Während beispielsweise das Fenster und die Gasverteilerplattenanordnung in 1 eben sind und eine gleichmäßige Materialstärke aufweisen, können auch nicht ebene Anordnungen und/oder eine ungleichmäßige Materialstärke für das Fenster und/oder die Gasverteilerplatte verwendet werden. Ein Plasma hoher Dichte wird in dem Raum zwischen dem Substrat und dem Fenster durch die Zuführung geeigneter Hochfrequenzenergie durch die Antenne 18 gezündet. Auch kann eine Temperaturregelflüssigkeit den Kanal 24 in der Antenne 18 durchspülen, um die Temperatur der Antenne 18, des Fensters 20 und der Gasverteilerplatte 22 unterhalb einer Schwellwerttemperatur von beispielsweise < 120°C, bevorzugt < 90°C und besonders bevorzugt < 80°C zu halten.
Eine Vakuumprozesskammer gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird in 2 dargestellt. Die Vakuumprozesskammer 40 umfasst einen Substrathalter 42, der das Substrat 43 mit einer elektrostatischen Klemmkraft beaufschlagt und eine Hochfrequenz-Vorspannung an das hierauf gelagerte Substrat anlegt. Ein Fokussier-Ring 44 mit einem äußeren dielektrischen Bereich 44a und einem inneren SiC-Bereich 44b schließt das Plasma in einem Bereich oberhalb des Substrats ein, das gleichzeitig von der Rückseite her mit He gekühlt wird. Eine Energiequelle zur Aufrechterhaltung des Plasmas hoher Dichte (z. B. 10¹¹-10¹² Ionen/cm³) in der Kammer, beispielsweise eine Antenne (nicht dargestellt), die mit einer geeigneten Hochfrequenzquelle und einem geeigneten Hochfrequenz-Impedanzabgleichungsschaltkreis verbunden ist, koppelt Hochfrequenzenergie in die Kammer 40 ein, um ein Plasma hoher Dichte zu erzeugen. Die Kammer umfasst eine geeignete Vakuumpumpenanordnung, zur Aufrechterhaltung des gewünschten Drucks in der Kammer (z. B. unterhalb 50 mTorr, typischerweise 1-20 mTorr). Ein im Wesentlichen ebenes dielektrisches Fenster mit gleichmäßiger Materialstärke, kann zwischen der Antenne und dem Inneren der Prozesskammer 40 angeordnet sein, um eine vakuumdichte Wandung im oberen Bereich der Prozesskammer 40 auszubilden. Eine Gasverteilerplatte, welche üblicherweise als Duschkopf 40 bezeichnet wird, ist unterhalb des Fensters vorgesehen und umfasst eine Vielzahl von Öffnungen, beispielsweise kreisringförmige Löcher (nicht dargestellt), zur Zuführung von Prozessgas von einer geeigneten Gasquelle zur Prozesskammer 40. Eine zylindrische Innenverkleidung 60, die ein Äquivalent zur Innenverkleidung 30 aus 1 darstellt, erstreckt sich von der Gasverteilerplatte aus und umgibt den Substrathalter 42. Ein Prallring 70 erstreckt sich zwischen dem Substrathalter 42 und der Innenverkleidung 60. Die Innenverkleidung 60 und/oder der Prallring 70 können mittels eines Heizelements 61 für jedes geeignete Verfahren verwendet werden, beispielsweise Widerstandheizen, Temperieren mit erhitzten Flüssigkeiten usw. Details des Prallrings 70 werden in 4 dargestellt, wobei ersichtlich ist, dass der Prallring 70 mit kleinen Löchern 72 und großen Löchern 74 für den Durchtritt von Gasen und Nebenprodukten zu der mit dem Boden der Kammer verbundenen Vakuumpumpe ausgestattet ist.
Eine weitere in 3 gezeigte Ausgestaltung verwendet eine modifizierte Innenverkleidung 62, welche einen zylindrischen Bereich 64 und einen konischen Bereich 66 umfassen kann. Für diese Ausgestaltung umfasst ein Heizer 68 Widerstandsheizelemente (nicht dargestellt), die dazu verwendet werden, den Bereich 64 und/oder den Bereich 66 auf der gewünschten Temperatur zu halten.
Substrate, die mit einem Oxidätzprozess geätzt werden, umfassen im Allgemeinen eine Grundschicht, eine Oxidschicht, die zu ätzen ist, und eine Fotolackschicht, die auf der Oxidschicht ausgebildet ist. Die Oxidschicht kann aus SiO₂, BPSG, PSG oder einem anderen Oxidmaterial bestehen. Als Grundschicht kann Si, TiN, Silizid oder eine andere Grundschicht oder das Substratmaterial verwendet werden. Die Selektivität des Ätzens, worunter die Ätzrate der zu ätzenden Schicht im Vergleich zur Ätzrate des Fotolacks verstanden wird, ist bevorzugt 4:1 oder größer. Die Selektivität des Ätzens der Oxidschicht im Vergleich zur Grundschicht ist bevorzugt größer als die Selektivität im Verhältnis von Oxid zu Fotolack, beispielsweise 40:1.
Erfindungsgemäß reduziert die Innenverkleidung aus Siliziumcarbid 30, 60, 62 und optional die aus Siliziumcarbid bestehenden exponierten Flächen des Fokussier-Rings 44 und des Prallrings 70 und/oder der Gasverteilerplatte 22, 50, die Kontamination durch Metalle und/oder Partikel auf dem Substrat während des Prozessierens, etwa dem Ätzen eines dielektrischen Materials, beispielsweise Siliziumdioxid (z. B. dotiertes oder undotiertes TEOS, BPSG, USG (undotiertes, durch Spinnen aufgebrachtes Glas), thermische Oxide, Plasmaoxide usw.), die typischerweise eine leitfähige Schicht wie Silizium, Polysilizium, Silizid, Titannitrit, Aluminium oder ein nicht leitfähiges Material wie beispielsweise Siliziumnitrid überziehen. Durch die Erfindung können Strukturen (wie beispielsweise Kontaktlöcher, Vias, Gräben usw.) mit Dimensionen von 0,5 µm und kleiner und einem Aspektverhältnis im Bereich von 2:1 bis 7:1 bei der sequentiellen Batch-Prozessierung von Substraten, beispielsweise Halbleiterwafern (z. B. 25 oder mehr aufeinander folgende Wafer), für jedes der Substrate erzielt werden, während gleichzeitig die Partikelkontamination der Wafer unterhalb eines akzeptablen Niveaus gehalten wird.
Während des Oxidätzens wird der Kammerdruck typischerweise unterhalb von 300 mTorr gehalten, bevorzugt bei 1-40 mTorr, die Antenne erzeugt eine Leistung von 200-5000 Watt, bevorzugt 300-2500 Watt, die Hochfrequenzvorspannung ist ≤ 6000 Watt, bevorzugt 1000-2500 Watt und der rückseitige He-Druck beträgt 5-40 Torr, bevorzugt 7-20 Torr. Das Prozessgas kann 10-200 sccm CHF₃, 10-100 sccm C₂HF₅ und/oder 10-100 sccm C₂F₆ umfassen.
Durch die Ausbildung der Innenverkleidung aus Siliziumcarbid 30, 60, 62 als separates Bauteil, das durch ein geeignetes Verfahren in der Reaktionskammer befestigt werden kann, beispielsweise durch Verschrauben an einem elektrisch geerdeten Teil der Kammer, wodurch eine Erdung der Innenverkleidung entsteht, kann die Innenverkleidung ausgetauscht werden. Alternativ kann das Siliziumcarbid zusätzlich in Form einer Beschichtung auf den Metall- und/oder Keramikteilen der Kammer verwendet werden. Für den Fall, dass die zusätzlich verwendete Siliziumkarbid-Komponente die Gasverteilerplatte ist, weist das Siliziumcarbid bevorzugt einen spezifischen Widerstand auf, der groß genug ist, um es einer Hochfrequenzantenne zu ermöglichen, Hochfrequenzenergie in die Kammer einzukoppeln. Das Siliziumcarbid kann beispielsweise heißgepresst sein, um spezifische Widerstandswerte im Bereich von ungefähr 5 × 10⁴ Ωcm zu erzielen. Für noch höhere spezifische Widerstände kann das SiC-Pulver mit einem geeigneten Additiv dotiert werden oder in einer Stickstoffatmosphäre gesintert werden, um Si₃N₄ an den Korngrenzen des Siliziumcarbids auszubilden und so den spezifischen Widerstand auf Werte von etwa 1 × 10⁸ Ωcm anzuheben. Bei der Herstellung der Gasverteilerplatte können geeignete Gasdurchgänge und Auslasslöcher in dem noch grünen keramischen Material hergestellt werden, welches nachfolgend zur Ausbildung einer einheitlichen Platte gesintert wird. Um den Kontakt des Plasmas mit den Durchgangskanälen und/oder Löchern zu verhindern, werden die Abmessungen der Durchgangskanäle und Löcher bevorzugt klein ausgebildet, um Betriebssituationen zu vermeiden, bei denen beim Ausströmen des Prozessgases und beim Betrieb der Antenne Plasma entstehen kann.
Die Innenverkleidung wird grundsätzlich und der Fokussier-Ring, die Prallplatte und/oder die Gasverteilerplatte werden optional aus unterschiedlichen auf der Grundlage von puderförmigem Siliziumcarbid hergestellten Materialien ausgebildet, welche einen dominierenden Anteil an Siliziumcarbid enthalten. Beispielsweise ist der Gesamtanteil an Silizium und Kohlenstoff typischerweise wenigstens 90 Gew.-% bevorzugt ≥ 95 Gew.-% und am meisten bevorzugt ≥ 99 Gew.-%. Beispielsweise kann das SiC-Element eine Menge von bis zu 0,5 Gew.- % B enthalten, um das Versintern des SiC-Pulvers zu unterstützen. Das SiC-Element kann einen Überschuss an Si enthalten, beispielsweise bis zu ungefähr 35 Gew.-% freies Si und/oder S₁₃N₄. Das Siliziumcarbidmaterial kann mit jedem geeigneten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise Heißpressen, Sintern, reaktive Bindung (wobei SiC mit geschmolzenem Si infiltriert wird) usw. Für die Innenverkleidung und optional für den Fokussier-Ring und/oder die Prallplatte weist das Siliziumcarbid bevorzugt einen niedrigen spezifischen Widerstandswert von unterhalb 200 Ωcm auf. Der spezifische Widerstand wird allerdings viel größer gewählt, wenn das zusätzliche SiC-Element als Fenster und/oder Gasverteilerplatte in Verbindung mit einer Hochfrequenzantenne verwendet wird. Falls eine andere Hochfrequenzquelle verwendet wird, kann das Fenster bzw. die Gasverteilerplatte durch ein SiC-Element mit einem niederen spezifischen Widerstand ersetzt werden. Um eine Kontamination mit Metallen während des Prozessierens von Halbleitersubstraten zu verhindern, wird das SiC-Element bevorzugt durch ein Verfahren hergestellt, bei dem der Einschluss solcher Metalle in das SiC-Element verhindert wird. Silizium und Kohlenstoff liegen bevorzugt in einer solchen Menge vor, dass eine normale Stöchimetrie erzielt werden kann. Solche Mixturen können in die gewünschte Form gebracht werden und sodann gesintert sowie nachbearbeitet werden, um die gewünschten Toleranzen und/oder Oberflächengüten für Oberflächen, wie Vakuumdichtungsflächen, zu erzielen. Das SiC-Element weist bevorzugt eine hohe Dichte auf z. B. eine Dichte von über 3,1 g/cm³.
Im Fall, dass das SiC-Element mittels CVD ausgebildet wird, wird bevorzugt eine hinreichende Menge von SiC abgeschieden, um ein Element mit Festkörpereigenschaften zu erhalten. Beispielsweise kann SiC auf einen Aufziehdorn abgeschieden werden und nach dem Erreichen der gewünschten Materialstärke des SiC wird der Aufziehdorn aus Graphit abgeätzt und das hochreine und hochdichte SiC-Element bleibt zurück.
Die Innenverkleidung aus Siliziumcarbid und weitere optionale Elemente aus Siliziumcarbid entsprechend der vorliegenden Erfindung führen zu einer dramatischen Verringerung der Partikelanzahl auf Wafern, die durch Oxidätzen und Sauerstoff-Reinigungsschritte prozessiert werden. Die Innenverkleidung und die weiteren optionalen Komponenten aus Siliziumcarbid reduzieren die Kontamination durch Partikel bei einem Veraschung-Verfahrensschritt, bei dem 750 sccm Sauerstoffgas für eine Zeitdauer von 10 Sekunden die TCP^TM-Leistung von 650 W zugeführt wird, die untere Elektrode mit 750 W betrieben wird und der Druck bei 10 mTorr eingestellt wird. Im Vergleich zu einer Innenverkleidung aus Aluminium, die während des Sauerstoffätzens und der Reinigungsschritte mit Sauerstoff angegriffen wird und welche Aluminium freisetzt, das zu einer Kontamination der Wafer führt, bietet eine Innenverkleidung aus Siliziumcarbid eine Leistungssteigerung, da im Siliziumcarbid Material bevorzugt weniger als 200 ppm Al vorliegen. Ferner sind die bei der Prozessierung, beispielsweise einem Plasmaätzen, entstehenden Nebenprodukte, die durch die Erosion des SiC gebildet werden, flüchtig und tragen deshalb nicht zur Bildung von Partikeln auf dem Wafer bei und die freigesetzten Elemente Si und C sind bei der Prozessierung von Wafern nicht störend.
Voranstehend wurden die Prinzipien, die bevorzugten Ausgestaltungsbeispiele und Betriebsweisen der vorliegenden Erfindung dargelegt. Allerdings soll die Erfindung nicht auf die dargelegten, besonderen Ausgestaltungsbeispiele beschränkt sein. Folglich sollen die voranstehend beschriebenen Ausgestaltungsbeispiele illustrativ und nicht limitierend verstanden werden und es ist anzumerken, dass ein Fachmann Modifikationen an diesen Ausgestaltungsbeispielen vornehmen kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, welche durch die nachfolgenden Ansprüche festgelegt wird.

Claims

Verfahren zum Prozessieren eines Substrats (13, 43) umfassend die Verfahrensschritte: (a) Platzieren eines Substrats (13, 43) auf einem Substrathalter (12, 42) in einer Prozesskammer (10, 40), wobei die Prozesskammer (10, 40) wenigstens eine an das Substrat (13, 43) angrenzende exponierte Oberfläche aus einem auf Siliziumcarbid basierenden Material aufweist; (b) Prozessieren des Substrats (13, 43) durch das Zuführung von Prozessgas in das Innere der Prozesskammer verbunden mit einer energetischen Anregung des Prozessgases in den Plasmazustand indem Hochfrequenzenergie zugeführt wird, wobei die exponierte Oberfläche dem Plasma ausgesetzt ist; (c) Entnahme des Substrats (13, 43) aus der Prozesskammer; und (d) fortlaufendes Prozessieren weiterer Substrate in der Prozesskammer durch das Wiederholen der Prozessschritte (a-c), während gleichzeitig die Partikelkontamination der Substrate während des Prozessierens minimiert wird, indem das Plasmapotential auf der Siliziumcarbid-Oberfläche und/oder das Sputtern der Innenwandungen der Kammer, die nicht aus Siliziumcarbid bestehen, reduziert werden und wobei die exponierte Oberfläche durch eine Innenverkleidung (30, 60, 62) für die Prozesskammer festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenverkleidung (30, 60, 62) verwendet wird, die vollständig aus mittels CVD abgeschiedenem SiC ausgebildet ist, um eine hochgradig gleichmäßige Temperaturverteilung während des Prozessierens über die exponierte Oberfläche zu erzielen, die Innenverkleidung (30, 60, 62) elektrisch geerdet ist, um eine Ableitung für die Hochfrequenzspannung während des Prozessschritts zu Verfügung zu stellen, und die Innerverkleidung (30, 60, 62) mittels eines Heizers beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Innerverkleidung (30, 60, 62) als ein mit Schrauben befestigtes Bauteil ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Prozesskammer eine im Wesentlichen ebene Antenne (18) umfasst, die das Prozessgas zur Überführung in den Plasmazustand energetisch anregt, indem der Antenne Hochfrequenzenergie zugeführt wird und das Prozessgas Fluorkohlenwasserstoffgase enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Plasma ein Plasma hoher Dichte umfasst und die Substrate durch das Ätzen einer Oxidschicht auf den Substraten mit dem Plasma hoher Dichte und dem Anlegen einer Hochfrequenzspannung an die Substrate prozessiert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine weitere exponierte Oberfläche vorliegt, die aus einem auf Siliziumcarbid basierenden Material besteht und die exponierte Oberfläche ferner durch eine Gasverteilerplatte (22, 50), die der Prozesskammer Prozessgas zuführt, und einer Prallplatte (70) (baffle) festgelegt wird, die sich zwischen dem Substrathalter und der Innenverkleidung (30, 60, 62) und/oder einem Fokussier-Ring (14, 14b, 44, 44b), der das Substrat (13, 43) umgibt, erstreckt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Innenverkleidung (30, 60, 62) während des Prozessschritts auf eine Temperatur oberhalb der Raumtemperatur aufgeheizt wird und eine Prallplatte (70) vorgesehen ist, die sich zwischen dem Substrathalter und der Innenverkleidung (30, 60, 62) erstreckt, und die Innenverkleidung (30, 60, 62) den Substrathalter umgibt und die Prallplatte einen Ring mit kleinen Öffnungen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Prallplatte (70) ebenfalls eine exponierte Oberfläche aufweist, die aus einem auf Siliziumcarbid basierenden Material besteht.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Prozessgas über eine Gasverteilerplatte (22, 50) zugeführt wird, die ebenfalls eine exponierte Oberfläche aufweist, die aus einem auf Siliziumcarbid basierenden Material besteht und die einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der groß genug ist, um dem Siliziumcarbid isolierende Eigenschaften zu verleihen.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein beheiztes Bauteil die Innenverkleidung (30, 60, 62) umgibt, um die Innenverkleidung (30, 60, 62) auf einer gewünschten Temperatur zu halten.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Innenverkleidung (30, 60, 62), die Prallplatte und/oder der Fokussier-Ring im Wesentlichen aus einem heißgepressten, gesinterten, mittels eines CVD-Verfahrens hergestellten oder eines reaktionsgebundenen SiC oder eines Kompositmaterials bestehen, dessen Beschichtung aus SiC eine exponierte Oberfläche bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Innenverkleidung (30, 60, 62) einen spezifischen elektrischen Widerstand unterhalb 200 Ω· cm aufweist.
Plasmaprozesskammer, umfassend einen Substrathalter (12, 42) zum Haltern eines Substrats (13, 43) innerhalb einer Prozesskammer; eine an das Substrat (13, 43) angrenzende exponierte Oberfläche bestehend aus einem auf Siliziumcarbid basierenden Material; eine Gasversorgung (23) zur Zuführung von Prozessgas in das Innere der Prozesskammer; und eine Energiequelle (18) zur Versorgung des Innenraums der Prozesskammer mit Hochfrequenzenergie zur energetischen Anregung des Prozessgases in den Plasmazustand für die Prozessierung des Substrats (13, 43), wobei die Siliziumcarbid-Oberfläche die Partikelkontamination des Substrats während der Plasmaprozessierung minimiert, indem das Plasmapotential auf der Siliziumcarbid-Oberfläche und/oder das Sputtern der Innenwandungen der Kammer, die nicht aus Siliziumcarbid bestehen, reduziert werden und wobei die exponierte Oberfläche durch eine Innenverkleidung (30, 60, 62) festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenverkleidung (30, 60, 62) vollständig aus mittels CVD abgeschiedenem SiC ausgebildet ist, um eine hochgradig gleichmäßige Temperaturverteilung während der Prozessierung über die exponierte Oberfläche zu erzielen, die Innenverkleidung (30, 60, 62) elektrisch geerdet ist, um eine Ableitung für die Hochfrequenzspannung während des Prozessschritts zu Verfügung zu stellen, und ein Heizer (68) vorgesehen ist, der dem Beheizen der Innerverkleidung (30, 60, 62) dient.
Plasmaprozesskammer nach Anspruch 12, wobei die Innerverkleidung (30, 60, 62) als ein mit Schrauben befestigtes Bauteil ausgebildet ist.
Plasmaprozesskammer nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei der Heizer (68) ein die Innenverkleidung (30, 60, 62) umgebendes beheiztes Bauteil ist, das die Innenverkleidung (30, 60, 62) auf einer gewünschten Temperatur hält.
Plasmaprozesskammer nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Prozesskammer ein dielektrisches Fenster (20) umfasst und die Energiequelle eine im Wesentlichen ebene Antenne (18) angrenzend an das Fenster umfasst, wobei die Antenne Hochfrequenzenergie zur energetischen Anregung des Prozessgases in der Prozesskammer in den Plasmazustand zuführt.
Plasmaprozesskammer nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei wenigstens eine weitere exponierte Oberfläche bereitgestellt wird, die aus einem auf Siliziumcarbid basierenden Material besteht, wobei die weitere exponierte Oberfläche durch eine Gasverteilerplatte (22, 50) zur Zuführung von Prozessgas, einen Fokussier-Ring (14, 14b, 44, 44b), der den Substrathalter umgibt, und/oder eine zwischen dem Substrathalter und der Innenverkleidung (30, 60, 62) angeordnete perforierte Prallplatte (70) (Baffle) festgelegt wird.
Plasmaprozesskammer nach Anspruch 16, wobei das Bauteil mit der weiteren exponierten Oberfläche einen spezifischen elektrischen Widerstand von wenigstens 5 × 104 Ω·cm aufweist.
Plasmaprozesskammer nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei die Innenverkleidung (30, 60, 62) aus zylindrischen und/oder konischen Bereichen zusammengesetzt ist.
Plasmaprozesskammer nach Anspruch 16, wobei die weitere exponierte Oberfläche durch eine Verteilerplatte festgelegt ist, die einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, welcher groß genug ist, um die Gasverteilerplatte isolierend auszubilden und die Innenverkleidung (30, 60, 62) einen solchen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der niedrig genug ist, um die Innenverkleidung (30, 60, 62) elektrisch leitfähig zu machen.
Plasmaprozesskammer nach einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei die Innenverkleidung (30, 60, 62), die Verteilerplatte, der Fokussier-Ring oder die Prallplatte im Wesentlichen aus einem heißgepressten, gesinterten, mittels CVD abgeschiedenen oder reaktionsgebundenen SiC oder einem Kompositmaterial mit einer Beschichtung aus SiC, welche die exponierte Oberfläche desselben bildet, bestehen.
Plasmaprozesskammer nach einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei die Innenverkleidung (30, 60, 62), die Verteilerplatte, der Fokussier-Ring und/oder die Prallplatte eine Dichte von wenigstens 3,1 g/cm³ aufweisen und wenigstens 99 Gew.-% Kohlenstoff und Silizium enthalten.