Плазмохимический реактор низкого давления для травления и осаждения материалов

Изобретение относится к области технологии микроэлектроники, микронанотехнологии, а именно к конструкции плазмохимического реактора, в котором производятся плазмохимические процессы травления и осаждения различных материалов. Плазмохимический реактор включает реакционную камеру, индуктор, держатель подложки, металлический тонкостенный цилиндрический экран и теплоотводящие стойки, свойства которых определяют скорость изменения температуры экрана и время установления его стационарной температуры. Металлический тонкостенный цилиндрический экран закреплен на теплоотводящих стойках внутри реакционной камеры пространственно изолированно от ее стенок. Технический результат заключается в обеспечении независимого управления радикальным составом плазмы и соответственно в получении качественного покрытия. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области технологии микроэлектроники, микронанотехнологии, а именно к конструкции плазмохимического реактора, в котором производятся плазмохимические процессы травления и осаждения различных материалов, и может быть использовано в производстве полупроводниковых, микроэлектромеханических приборов и интегральных схем.

Известны различные конструкции реакторов высокоплотной плазмы различного типа разрядов низкого давления, которые предназначены для осуществления в них процессов травления и осаждения различных материалов. Это реакторы, в которых генерация плазмы осуществляется с помощью ВЧ индукционного, микроволнового, СВЧ-разрядов. Среди представленных плазменных реакторов (High density plasma sources. Desigh, Physics and Performance. Ed.O.Popov. N.Jersey. 1995. P.445. Patent № EP 0794553 от 1997-9-10. Applied Materials INC (US) и Inductively coupled HDP-CVD reactor. Patent №ЕР 0819780 от 1998-01-21. Applied Materials INC (US) можно выделить реакторы, в которых источником плазмы является ВЧ индукционный разряд. В таких реакторах создается плазма с высокой плотностью и равномерного по сечению ионного потока. Плазмохимический реактор состоит из реакционной камеры, индуктора и держателя подложки. Для управления энергией бомбардирующих обрабатываемую пластину ионов на держатель подложки подается определенное ВЧ-напряжение. Возникающий при этом отрицательный потенциал самосмещения определяет энергию падающих ионов. Плотность ионного потока и радикалов в плазме определяется вложенной в разряд ВЧ-мощностью. Таким образом, в реакторах высокоплотной плазмы можно эффективно отдельно управлять как плотностью, так и энергией ионного потока, тем самым управляя характеристиками плазмохимических процессов травления и/или осаждения.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности признаков является плазмохимический реактор низкого давления для травления и осаждения материалов, включающий реакционную камеру с нагреваемыми стенками, индуктор и держатель подложки ВЧ-электрод (Chinzie Y., Ichiki t

., Kurosaki R., Kiuchi J. SiO₂ etching employing indictively coupled plasma with hot inner wall. Jpn. J. Appl. Phys. 1996. V.35. Pt.1. N.4B. P.2472-2476).

В таком реакторе увеличение температуры внутренних стенок реакционной камеры высокоплотной фторуглеродной C₄F₈ плазмы плоского ВЧ индукционного разряда от 300 до 600 К ведет к увеличению концентрации CF_n (n<3) более чем в десять раз и изменению ионного состава плазмы. Это ведет к повышению селективности травления диоксида кремния по отношению к кремнию в 2 раза. Таким образом, эффективно изменять концентрацию радикалов в реакторе можно, изменяя температуру стенок реактора. Однако увеличение температуры стенок до таких высоких температур путем его принудительного нагрева является не технологичным, так как это ведет к необходимости охлаждения водой внешних стенок реакционной камеры.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение независимого управления не только ионным, но и радикальным составом плазмы.

Указанная цель достигается тем, что в известном плазмохимическом реакторе, включающем реакционную камеру, индуктор и держатель подложки, внутри реакционной камеры установлен пространственно изолированный от его стенок металлический цилиндрический экран. Экран может быть покрыт диэлектрической пленкой или пленкой из полупроводникового материала.

Отличие предлагаемой конструкции реактора от известного заключается в том, что внутри реакционной камеры установлен пространственно-изолированный от его стенок металлический тонкостенный цилиндрический экран.

Дополнительное отличие в том, что экран покрыт диэлектрической или полупроводниковой пленкой.

Такой экран можно поместить в реакторы с ВЧ с индукционным источником плазмы геликального типа (чертеж, а) и плоского индукционного разряда (чертеж, б). Конструкция предлагаемого реактора, схематично изображенного на чертеже, включает: индуктор (1), реакционную камеру (2), держателя подложки (3) и экран (4).

Сущность изобретения заключается в том, что в плазме такой экран нагревается до высокой температуры. В результате этого на его поверхности изменяются коэффициенты рождения и гибели различных заряженных и нейтральных возбужденных частиц, радикалов. Это ведет к изменению радикального состава плазмы в реакторе. Таким образом, варьируя температуру экрана, можно изменять концентрацию радикалов в плазме химически активных газов. Скорость изменения температуры экрана, время установления его стационарной температуры определяются теплоотводящими свойствами стоек, на которых крепится экран. Для осуществления процесса при определенной температуре стенок экрана они предварительно нагреваются в плазме инертного газа (например, аргона), а затем на держатель загружается подложка, подаются необходимые рабочие газы и зажигается плазма. Хотя процесс травления или осаждения в таком реакторе происходит при изменяющихся по температуре стенках реактора, это не является недостатком, так как за время процесса (обычно 1-2 мин) нагрев стенок будет незначительным. Кроме того, необходимый температурный режим можно задать регулируя теплоотвод через стойки. Преимущества такой конструкции реактора особенно проявляются при травлении материалов в плазме тяжелых фторуглеродных газов, таких как C₃F₈, C₄F₈, CHF₃ и других подобных фреонах состава C_nF_m. В плазме этих газов на стенках образуется фторуглеродная пленка, которая затрудняет проведение процессов. Для осуществления воспроизводимых процессов необходимо периодически проводить чистку стенок реактора для ее удаления. При нагреве стенок реактора свыше 500 К такая полимерная пленка на стенках реактора почти не образуется и периодичность очистки стенок реактора резко увеличивается. При осаждении SiO₂ в плазме SiH₄+O₂ нагрев стенок реактора будет также способствовать уменьшению скорости осаждения на них диоксида кремния.

Заявляемое техническое решение не известно из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его новизне. Кроме того, оно явным образом не следует из уровня техники, что говорит о его изобретательском уровне.

Изобретение поясняется примером использования данной конструкции реактора при травлении SiO₂ во фторуглеродной плазме.

Пример 1. Селективное травление диоксида кремния по отношению к кремнию в реакторе с нагреваемым внутренним алюминиевым экраном в C₄F₈ плазме ВЧ индукционного разряда.

Селективное травление SiO₂/Si проводили в реакторе, внутри реакционной камеры которого был установлен алюминиевый экран. Схема реактора представлена на чертеже, а. Эксперименты проводили в C₄F₈ плазме ВЧ индукционного разряда низкого давления при нагретых и холодных стенках экрана. Образцами служили кремниевые пластины со слоем и без слоя диоксида кремния, на поверхности которых был нанесена пленка фоторезиста. В слое фоторезиста методом оптической литографии была сформирована маска с рисунком, представляющем систему параллельных полос шириной 0,8, 1,0...1,6 мкм, а также открытые области размером до 500 мкм. Образцы устанавливались на подложкодержателе, на который подавалась ВЧ-мощность смещения. Толщина фоторезистивной маски на основе новолака равнялась 1,2 мкм, a SiO₂ - 0,8 мкм. Травление проводили при следующих параметрах: давление - 0,14 Па, расход газа - 10 см³/мин (нормальные условия), мощность разряда - 900 Вт, мощность ВЧ-смещения - 200 Вт. Температура экрана составляла 30 и 270°С. Время травления составляло 2 мин. Глубину протравленной ступеньки в кремнии и диоксиде кремния измеряли с помощью профилометра TALYSTEP.

Эксперименты показали, что при температуре стенки реактора 30°С глубина травления SiO₂ составляла 0,74 мкм, Si - 0,18 мкм, а при температуре стенок 270°С глубина травления SiO₂ равнялась 0,72 мкм, a Si - 0,07 мкм. Таким образом, при низкой и высокой температуре стенок экрана скорость травления SiO₂ осталась практически постоянной, а селективность травления SiO₂/Si увеличилась почти в 2,5 раза.

1. Плазмохимический реактор низкого давления для травления и осаждения материалов, включающий реакционную камеру, индуктор и держатель подложки, отличающийся тем, что он снабжен металлическим тонкостенным цилиндрическим экраном и теплоотводящими стойками, свойства которых определяют скорость изменения температуры экрана и время установления его стационарной температуры, при этом металлический тонкостенный цилиндрический экран закреплен на теплоотводящих стойках внутри реакционной камеры пространственно изолированно от ее стенок.

2. Плазмохимический реактор по п.1, отличающийся тем, что тонкостенный металлический цилиндрический экран покрыт диэлектрической или полупроводниковой пленкой.