Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung ange¬ regter neutraler Teilchen für Ätz- und Abscheideprozesse in der Halbleitertechnologie mittels einer ikrowellenener- giegespeisten Plasmaentladung, bei dem Mikrowellenenergie einer bestimmten Frequenz erzeugt, in ein Hohlleitersystem eingekoppelt und dort als stehende transversal-elektrische Welle an vorbestimmten Stellen konzentriert wird, und bei dem zur Anregung bestimmte Prozeßgase mittels eines in Richtung des elektrischen Feldes der Welle ausgerichteten Plasmaentladungsrohres durch das Hohlleitersystem durchge¬ führt werden, wobei ein Plasma gezündet und angeregte Teil¬ chen generiert werden. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein Verfahren der genannten Art ist aus T. Sugano,"Appli¬ cations of Plasma Processes to VLSI Technology", Wiley- Interscience, New York, 1985 , Abschnitte 2.2 und 2.3 (vgl. insbesondere 2.2.2), bekannt.

Ätz- und Abscheidetechnik sind, neben Lithographie und

Dotiertechnik, grundlegende Prozesse, die in der Proze߬ folge zur Herstellung von hochintegrierten Schaltungen aus Siliziumsubstraten immer wieder verwendet werden (vgl. all¬ gemein "Technologie hochintegrierter Schaltungen", D. Wid- mann, H. Mader, H. Friedrich, Springerverlag 1988, insbe¬ sondere Abschnitte 3.1.1 und 5.2.2-4). Ein wichtiges Ver¬ fahren ist beispielsweise die Gasphasenabscheidung, auch CVD genannt, bei der es heute vielfach üblich ist, die Anregung der Ausgangs-Reaktionsgase zu dissoziierten, re-

ERSATZBLATT

aktionsfähigen Bestandteilen und die Auslösung der Abschei¬ dereaktion nicht primär durch eine Erhöhung

der Temperatur (der Siliziumscheibe) auf etwa 1000" C vor- zunehmen, sondern durch ein Plasma oder durch energierei¬ che Strahlung. Auch Trockenätzprozesse, für die die Bil¬ dung eines gasförmigen, flüchtigen Reaktionsprodukts Vor- raussetzung ist, laufen meist nur dann spontan, d. h. ohne Zuführung von äußerer Energie ab, wenn die Gase bereits in atomarer Form vorliegen.

Für die erfolgreiche Durchführung derartiger Ätz- und Ab¬ scheideprozesse kommt es offenbar darauf an, energiereiche und deshalb reaktionsfähige neutrale Teilchen, insbesonde- re Radikale, mit ausreichend hohem Wirkungsgrad zu generie¬ ren. Die technische Lösung dieses Erfordernisses wird zu¬ nehmend gleichzeitig mit einer Erfüllung der weitergehen¬ den Forderungen nach einer Verhinderung des Einflusses elektrischer Felder und geladener Teilchen auf das zu pro¬ zessierende Substrat und nach einem möglichst weiten Ar¬ beitsdruckbereich für die Ätz- und Abscheideprozesse ange¬ strebt.

Um die Substrate vor unerwünschten elektrostatischen Fel- dem und vor Ionen zu schützen, die bei der üblichen Dis¬ soziation von Prozeßgasen in einer Plasma-Gas-Entladung neben den Neutralteilchen immer auch miterzeugt werden, ist es bekannt, die Generierung angeregter neutraler Teil¬ chen von ihrer Verwendung in einem in einer Reaktionskam- mer stattfindenden Ätz- oder Abscheideprozeß räumlich zu trennen (Downstrea -Verfahren). Bei der Downstream-Methode sinkt aufgrund der geringen Lebensdauer der geladenen Teil¬ chen deren Konzentration unmittelbar nach der Anregungs¬ zone sehr stark ab, während die angeregten Neutralteilchen infolge ihrer erheblich größeren Lebensdauer die Reaktions-

kammer über eine geeignete Zuleitung in für manche Anwen¬ dungen ausreichender Konzentration erreichen. Als Ener¬ giequellen für die Hf-Plasmaentladung werden vielfach Magnetrongeneratoren mit eine Arbeitsfrequenz von einigen GHz zur Erzeugung entsprechender Mikrowellen eingesetzt. Diese Energie wird in einen Hohlraumresonator bzw. in ein Hohlleitersystem eingekoppelt und dort - durch passende Dimensionierung und

10 Abstimmung - an bestimmten Stellen in Form einer stehenden Welle konzentriert. An einer dieser Stellen wird dann üb¬ licherweise ein Plasmaentladungsrohr durch das Hohlleiter¬ system durchgeführt, also genau an einer Stelle, an der sich die Energie der stehenden Welle konzentriert. Auf die-

₁₅ se Weise können in Prozeßgasen, die dem Plasmaentladungs¬ rohr zugeführt werden, Radikale mit langer Lebensdauer ge¬ neriert und anschließend mittels einer Zuleitung zur Re¬ aktionskammer transportiert werden. Die Lokalisierung der Energie der stehenden Welle an der richtigen Stelle ist an

_2Q sich unproblematisch, jedoch wird ein erheblicher Teil der Energie nicht zur Anregung umgesetzt, sondern unabgestimmt reflektiert und muß im Hohlleiter, meist in einer Wasser¬ last, absorbiert werden, um nicht das Magnetron zu beschä¬ digen (vgl. Sugano, a.a.O., Abschnitt 2.2.2).

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Die beschriebene, nur teilweise Umsetzung der zur Verfügung stehenden Mikrowellenenergie, erweist sich besonders im Lichte der oben bereits genannten Forderung nach einem wei¬ ten Arbeitsdruckbereich insofern als problematisch, als - _zQ für die Halbleitertechnologie gerade auch der niedrige

Druckbereich unterhalb etwa 13, insbesondere unter 1,3 Pa interessant und von Vorteil ist.

Niedrige Drücke sind beispielsweise für oberflächenkon- , ₅ trollierte CVD-Prozesse zur Vermeidung von Abscheidungen

mit unerwünschten Schichteigenschaften von Bedeutung. Auch bei Ätzprozessen sind eine hohe Ätzrate und die Verhinde¬ rung von Microload-Effekten, also einer von der Umgebung abhängigen lokalen Ätzrate, oft nur bei sehr niedrigen Drucken zu verwirklichen. Bereits im Druckbereich unter 13 Pa beginnen jedoch Zündschwierigkeiten bei der 'Plasmaent¬ ladung aufzutreten, da die Anregungsdichte und damit auch der Wirkungsgrad der Generierung zu sehr abnehmen.

Es ist zwar bekannt (vgl. Sugano, a.a.O., Abschnitt 2.3.2), das Plasma mit Hilfe des Einschließens in einem Magnet¬ feld, dessen Zyklotronfrequenz in Resonanz mit der Fre¬ quenz der Mikrowellen steht (ECR-Verfahren), auch im Druck- bereich unter 13 x 10 Pa zu stabilisieren. Wie beispiels- weise aus dem Artikel "Downstream Plasma Etching and Strip- ping" von J.M.Cook, Solid State Technology/April 1987, insbesondere Seite 150, hervorgeht, können mit derartigen Verfahren jedoch insgesamt, also insbesondere am Wafer selbst, angeregte Neutralteilchen nicht in ausreichender Zahl und Dichte zur Verfügung gestellt werden. Dies ist nicht überraschend angesichts der Tatsache, daß auch beim verbesserten ECR-Verfahren nur gut 30 % der Mikrowellen¬ energie in der Entladung umgesetzt werden.

Es ist im übrigen mit Rücksicht auf ein handhabbares Ver¬ fahren auch nicht möglich, die eingekoppelte Mikrowellen¬ energie selbst, üblicherweise etwa 1 kW, wesentlich zu steigern, um den Wirkungsgrad der Generierung zu erhöhen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, das insbesondere im Druckbereich unterhalb etwa 13 Pa einen genügend hohen Wirkungsgrad besitzt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge¬ nannten Art dadurch gelöst, daß ein Plasmaentladungsrohr mit einem Durchmesser, der einer Viertelwellenlänge der stehenden Welle entspricht, gewählt und das Hohlleiter- . system derart dimensioniert und abgestimmt wird, daß die stehende Welle ein erstes Spannungsmaximum an einer ersten Seite des Plasmaentladerohres ausbildet und die stehende Welle auch reflektiert zugeführt wird, so daß sie ein zweites, gegenphasiges Spannungsmaximum an einer zweiten Seite des Plasmaentladungsrohres, die der ersten Seite gegenüberliegt und einem Endabschluß des Hohlleitersystems zugewandt ist, ausbildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise so weiter- gebildet, daß bei einem Arbeitsdruck der Prozeßgase unter¬ halb etwa 13, insbesondere unter 1,3 Pa im Plasma erzeugte Elektronen mittels eines angelegten insbesondere gesteu¬ erten Magnetfeldes auf schraubenförmige Bahnen gezwungen werden, wobei insbesondere das für den jeweiligen Arbeits- druck optimale Magnetfeld mittels einer Sensoreinrichtung ermittelt und so eingestellt wird, daß das Maximum der Teilchengenerierung erreicht wird.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist entsprechend der gestellten Aufgabe vorgesehen:

Eine Vorrichtung mit einem Mikrowellengenerator, der in einem Hohlleitersystem Mikrowellenenergie zur Verfügung stellt, die sich als stehende transversal-elektrische Welle bestimmter Frequenz an vorbestimmten Stellen kon¬ zentriert, bei der das vorzugsweise rechteckigen Quer¬ schnitt aufweisende Hohlleitersystem Durchführungen für ein in Richtung des elektrischen Feldes der Welle ausge¬ richtetes und durch gegenüberliegende Wände des Hohllei- tersystems durchgeführtes Plasmaentladungsrohr aufweist,

wobei bei gezündeter Plasmaentladung im Plasmaentladungs¬ rohr eine kontinuierliche Generierung angeregter neutraler Teilchen aus zugeführten Prozeßgasen vorliegt und bei der das Plasmaentladungsrohr einen Durchmesser entsprechend . einer Viertelwellenlänge der stehenden Welle aufweist und das Hohlleitersystem so dimensioniert und mit Abstimmein- richtungen versehen ist, daß der Endabschluß des Hohllei¬ tersystems eine Reflexionsfläche darstellt und die ihr zu¬ gewandte Wandung des Plasmaentladungsrohres im Spannungs- maximum der reflektiert zugeführten stehenden Welle zu liegen kommt, während die dem Mikrowellengenerator zuge¬ wandte Wandung des Plasmaentladungsrohres in einem Span¬ nungsmaximum der stehenden Welle zu liegen kommt, so daß an zwei gegenüberliegenden Seiten des Plas aentladungs- rohres zwei gegenphasige Spannungsmaxima zur Zündung und Aufrechterhaltung der Plasmaentladung zur Verfügung ste¬ hen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß beim be- kannten Verfahren nur die Energie eines einzigen Halbwel¬ len-Spannungsmaximums, welches durch entsprechende Ab¬ stimmung möglichst in der Mitte des Plasmaentladungsrohres zu liegen kommen soll, für die Plasmaentladung umgesetzt wird. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen hingegen wer- den an gegenüberliegenden Seiten des Plasmaentladungsroh¬ res zwei gegenphasige Spannungsmaxima für die Plasmaent¬ ladung zur Verfügung gestellt, wobei aufgrund ihres durch den Durchmesser gegebenen Abstandes von einer Viertelwel¬ lenlänge das zugehörige Strommaximum in der Mitte des Plasmaentladungsrohres zu liegen kommt. Dabei wird die höchstmögliche, gegenüber dem bisherigen Verfahren ver¬ doppelte, Spannungsüberhöhung ausgenutzt, so daß eine viermal höhere Leistungsumsetzung resultiert.

Vorteilhaft ist ferner, daß nicht einfach zwei Halbwellen- Maxima der stehenden Welle ausgenutzt werden.

Vielmehr wird, beispielsweise mit Hilfe einer Reflexions¬ fläche am Endabschluß des Hohlleitersystems sowie der Abstimmung des reflektierten Teils der stehenden Welle durch einen Phasenschieber, die stehende Welle auch re- ■ flektiert zugeführt und damit ein zweites Spannungsmaximum im Abstand von nur einer Viertelwellenlänge von einem Span¬ nungsmaximum der stehenden Welle, ausgenutzt. Indem durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die Energie auf kleinstem Raum konzentriert eingesetzt wird, bildet sich ein ener- giereiches Plasma mit hoher Plasmatemperatur, das auch bei niedrigen Drücken stabil bleibt. Durch den hohen Wirkungs¬ grad, mit dem hochangeregte Teilchen erzeugt werden, las¬ sen sich große Ätz- bzw. Abscheideraten erzielen.

Insgesamt wird nahezu die gesamte vom Mikrowellengenerator erzeugte Energie für die Plasmaentladung bzw. für die Ra- dikalgenerierung verwendet, so daß die Anregungsdichte der Teilchen so hoch ist, daß sie dem Effekt nach mit einer thermischen Aktivierung vergleichbar ist. Auch im

_2 niedrigen Druckbereich bis hinunter zu etwa 5 x 10 Pa sind mehr als 50 % aller vorhandenen Gasmoleküle angeregt.

Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen ge¬ kennzeichnet.

Anhand eines Ausführungsbeispieles und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigen:

FIG 1 die dem Verkaufsprospekt "Model CDE-VIII Microwave Downstream Etching System", Specification § 840008, 1 April 1986 Revision 2 der Firma TYLAN/TOKUDA, USA, ent¬ nommen ist, schematisch ein bekanntes, handelsübliches Downstream-Ätzsystem mit Mikrowellenanregung.

FIG 2 einen Teil einer Vorrichtung zur Durchführung eine erfindungsgemäßen Verfahrens.

In FIG 1 ist ein Mikrowellengenerator 1 gezeigt, der Mi- . krowellen erzeugt, die in ein Hohlleitersystem 2 einge¬ koppelt werden. Mit Hilfe einer Abstimmeinheit 4 und durch die Dimensionierung des Hohlleitersystems 2 bildet sich eine stehende Welle aus, durch die die Mikrowellen¬ energie an vorbestimmten Stellen des Hohlleitersystems 2 konzentriert wird. Die unabgestimmt reflektierte und nicht umgesetzte Energie muß irgendwo im Hohlleitersystem 2, bei¬ spielsweise im T-Stück 3 oder am Ende des Hohlleiters 2, absorbiert werden, was meistens mittels einer Wasserlast geschieht. Zum Generieren von Radikalen durch Mikrowellen- energie ist ein Plasmaentladungsrohr 5, das in Richtung des elektrischen Feldes der stehenden Welle ausgerichtet ist, durch das Hohlleitersystem 2 durchgeführt. Werden ge¬ eignete Prozeßgase dem Eingang 6 des Plasmaentladungsroh¬ res 5 zugeführt und das Plasma gezündet, so entstehen, neben anderen, auch angeregte Neutralteilchen. Diese wer¬ den anschließend mittels einer Zuleitung 7, die etwa 1 lang ist, zur Ätz-Reaktionska mer 8 transportiert. Damit gelangen angeregte neutrale Teilchen auf die Oberfläche von auf einem Drehtisch 11 befestigten Substratscheiben 10, wo sie die gewünschten Ätzreaktionen auslösen. Die Reaktionskammer 8 kann mittels einer Pumpe 9 evakuiert, und die flüchtigen Reaktionsprodukte können abgesaugt wer¬ den.

Das erfindungsgemäße Verfahren, das zu seiner Durchführung nur eine geringe Modifikation der bekannten Ätzanlage er¬ fordert, ermöglicht die Umsetzung der zur Verfügung stehen¬ den Mikrowellenenergie mit höchstmöglichem Wirkungsgrad in

_2 einem Arbeitsbereich von knapp 300 Pa bis unter 13 x 10 Pa. Dies wird einerseits dadurch erreicht, daß bei einer

Arbeitsfrequenz von 2,45 GHz, welche einer Wellenlänge von 12 cm entspricht, das Plasmaentladungsrohr 5 einen Durch¬ messer von 30 mm, entsprechend einer Viertelwellenlänge, aufweist.

FIG 2 zeigt ein Plasmaentladungsrohr 5, das im Hohlleiter¬ system 2 so montiert, daß die dem Magnetron 1 zugewandte Seite im Spannungsmaximum der stehenden Welle zu liegen kommt, wobei die Wandung des Plasmaentladungsrohres 5 (ebenso wie auf der gegenüberliegenden Seite) vom Span¬ nungsmaximum geschnitten werden kann, das Spannungsmaximum sich vorteilhafterweise aber auch auf der Innenseite der Wandung befinden kann. Das Plasmaentladungsrohr 5 selbst ist vorzugsweise aus einem Isoliermaterial, wie Quarz oder Aluminiumoxid, gefertigt. Als Endabschluß 12 des Hohllei¬ tersystems 2 ist eine Reflexionsfläche vorgesehen. Die re¬ flektierte Energie wird mit einer Abstimmeinrichtung so abgestimmt, daß die reflektiert zurückgeführte stehende Welle ein Spannungsmaximum an der der Reflexionsfläche zugewandten Seite des Plasmaentladungsrohres 5 erreicht. Eine direkte mechanische Abstimmung kann in an sich be¬ kannter Weise mittels Abstimmstiften 13 und 14 durch eine Phasenschiebung erfolgen. Im vorzugsweise recht¬ eckigen (ca. 80 x 40 mm) Querschnitt aufweisenden Hohl- leitersystem 2 breitet sich die stehende Welle als Ober¬ flächenwelle gleichzeitig oben und unten nahe der ca. 80 mm breiten Begrenzungsflächen aus, so daß eine Querent¬ ladung und eine weitere, dazwischenliegende Entladung auftritt. Insgesamt ergibt sich, daß mit diesem Verfahren Energie mit sehr hohem Wirkungsgrad in das Plasmaentla¬ dungsrohr 5 eingekoppelt wird, so daß beispielsweise durch die hohe Dichte an Neutralteilchen eine etwa 3 - 5 mal hö¬ here Ätzrate als bei bekannten Verfahren resultiert. In FIG 2 sind schließlich auch noch Sperrtöpfe 15 und 16, die als mechanische Drosseln die Abstrahlung dämpfen, eine

Sensoreinrichtung 18, sowie Magnetfeldwicklungen 17 dargestellt.

Um im Downstrea -Verfahren auch im niedrigen Druckbereich unterhalb 13, insbesondere unter 1,3 Pa Radikale mit vol¬ lem Wirkungsgrad generieren zu können, kann die Anregungs¬ dichte durch Anlegen eines insbesondere gesteuerten Magnet¬ feldes erhöht werden. Die Tatsache, daß sich bei Gasentla- dungsstrekken die effektive Ionisation mittels eines Ma- gnetfeldes erhöhen läßt, in dem Elektronen in schrauben¬ förmiger Bewegung pendeln müssen und damit einen verlän¬ gerten Ionisationsweg aufweisen, ist an sich als Penning- Effekt bereits bekannt.

Entscheidend ist jedoch, daß das Magnetfeld nur in der

Plasmaentladungszone wirkt und daß es nicht, wie bei den ebenfalls bekannten ECR-Quellen auf einen festen Wert der Elektron-Zyklotron-Resonanzfeldstärke abgestimmt wird (kreisförmige Bahnen), sondern das für den jeweiligen Arbeitsdruck optimale Magnetfeld mittels einer Sensorein¬ richtung 18 ermittelt und so eingestellt wird, daß das Maximum der Teilchengenerierung erreicht wird. Durchge¬ führte Versuche ergaben, daß es tatsächlich pro Arbeits¬ druck ein zugehöriges, mit sinkendem Druck steigendes Magnetfeldmaximum als Optimum hinsichtlich der Generierung gibt. Dies vermutlich deshalb, weil bei zu hohem Magnet¬ feld die Spiralbahnen der Elektronen im Plasma zu eng und damit ineffektiv werden.

Durch die Dissoziation der Prozeßgase im Plasmaentladungs¬ rohr erfolgt eine Volumenvergrδßerung. Als Sensoreinrich¬ tung kann deshalb vorteilhaft ein Druckmeßgerät verwendet werden, wobei die einer zunehmenden Teilchengenerierung entsprechende Druckerhöhung ausgewertet und zum Nachsteu- ern bzw. Einstellen des optimalen Magnetfeldes verwendet wird.

Als weitere Seπsormethode kann die Helligkeit der Plasma¬ entladung zum Nachsteuern des Magnetfeldes verwendet werden, wobei auch dabei das Maximum der Helligkeit dem Maximum der Dissoziation entspricht. Es kann auch emis- . sionsspektro etrisch

das Maximum auftretender spezifischer Wellenlängen des angeregten Gases ermittelt und zum Einstellen des Magnet¬ feldes verwendet werden.