РЕАКТОР ДЛЯ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР
REACTOR FOR PLASMA-CHEMICAL ETCHING OF SEMICONDUCTOR STRUCTURES

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к реакторам высокоплотной и высокочастотной плазменной обработке и может быть использовано в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем.
Для решения сложных технологических задач в производстве современных полупроводниковых приборов и интегральных схем с проектными нормами 180-65 нм с применением ионно-плазменного травления наибольшее распространение получили источники высокоплотной плазмы с индукционной системой возбуждения ВЧ разряда (ICP источники).
Наиболее распространенные конструкции используют антенну (индуктор) на верху камеры в виде плоской катушки (US 6.441.555, US 5.759.280, US 7.096.819). Индуктор соединен с ВЧ генератором, но отделен от зоны разряда слоем диэлектрического материала, который должен обладать высокой диэлектрической проницаемостью (для обеспечения эффективной, с минимальными потерями передачи энергии ВЧ поля от индуктора в рабочую зону) и термостойкостью. Этим требованиям хорошо удовлетворяет кварц. Обрабатываемая подложка находится на проводящем подложкодержателе в нижней части реактора, на подложкодержатель подается отрицательное смещение от источника постоянного напряжения или от другого ВЧ генератора. Такая система позволяет независимую регулировку плотности плазмы над подложкой и управление энергией ионов достигающих поверхности подложки, что позволяет подбирать оптимальные режимы травления.
Недостатком известных реакторов является то, что в дополнении к индуктивной связи существует емкостная связь между индуктором и подложкодержателем. Так как напряжение приложено к одному концу антенны для передачи ВЧ тока, то это напряжение распределяется неравномерно, что приводит к асимметрии плотности плазмы и, следовательно, к неравномерности травления на подложках большого диаметра (200-300 мм).
Известно также устройство для плазмохимического травления, содержащее вакуумную камеру с системой подвода газов и системой откачки, подложкодержатель, установленный в основании камеры и соединенный с блоком ВЧ смещения, систему согласования, состоящую из спирального индуктора, трансформатора и первого конденсатора, для соединения спирального индуктора с ВЧ генератором, при этом в верхней части вакуумной камеры установлено диэлектрическое окно, над которым размещен спиральный индуктор (патент RU 2133998). Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.
Недостаток этого устройства заключается в том, что оно имеет низкую эффективность передачи ВЧ мощности в реактор из-за нагрева трансформатора и потери части передаваемой мощности, что приводит к резкому уменьшению скорости травления на структурах с большой площадью (диаметрах рабочих подложек 200-300 мм) и делает невозможным высокоскоростное травление (5-10 мкм/мин) кремния, кварца, алмазоподобных пленок и других материалов, применяемых в конструкции современных полупроводниковых приборов и СВЧ схем, где требуется высокая плотность ВЧ мощности на единицу поверхности и как следствие применение ВЧ генераторов с выходной мощностью 3-5 кВт. Это снижает функциональные возможности устройства.
Другим недостатком устройства является сложность поджига ВЧ разряда в реакторе из-за отсутствия емкостной составляющей ВЧ разряда. Это приводит к плохому согласованию ВЧ разряда (отношение падающей мощности к отраженной меньше чем 10/1). Это также снижает функциональные возможности устройства.
Задача изобретения заключается в создании плазмохимического реактора для высокоскоростного травления кремния, диэлектрических и полупроводниковых материалов на подложках большого диаметра (200-300 мм), а так же высокоскоростного травления кварца, алмазоподобных пленок, карбида кремния и других материалов на глубину до 100 мкм и выше, где требуется высокая удельная ВЧ мощность на единицу поверхности для обеспечения высоких скоростей травления 1-5 мкм/мин.
Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности передаваемой от ВЧ генератора мощности в реактор за счет уменьшения потерь, что приводит к повышению плотности плазмы. Кроме того существенно облегчается поджиг плазмы в момент включения ВЧ генератора путем исключения трансформатора на короткое время (3-5 секунд) из схемы согласования подключением на землю электронным ВЧ переключателем мощности второго вывода спирального индуктора. В совокупности это приводит к быстрому и устойчивому поджигу плазмы с минимальной отраженной мощностью и, как следствие, к высокой скорости травления диэлектрических и полупроводниковых материалов, что приводит к расширению функциональных возможностей устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в реакторе для плазмохимического травления полупроводниковых структур, содержащем вакуумную камеру с системой подвода газов и системой откачки, подложкодержатель, установленный в основании камеры и соединенный с блоком ВЧ смещения, систему согласования, состоящую из спирального индуктора, трансформатора и первого конденсатора, для соединения спирального индуктора с ВЧ генератором, при этом в верхней части вакуумной камеры установлено диэлектрическое окно, над которым размещен спиральный индуктор, трансформатор выполнен в виде ВЧ кабеля, намотанного на ферритовые кольца, при этом внутренняя жила ВЧ кабеля с одной стороны соединена с выходом ВЧ генератора, с другой стороны подключена к первому выводу спирального индуктора, первый конец оплетки ВЧ кабеля соединен с землей, а второй конец оплетки ВЧ кабеля соединен со вторым выводом спирального индуктора.
Существует вариант, в котором система согласования дополнительно содержит второй конденсатор и электронный переключатель ВЧ мощности, при этом второй конденсатор подключен между первым конденсатором и первым выводом спирального индуктора, а второй вывод спирального индуктора, через электронный переключатель ВЧ мощности, соединен с землей.
Существует также вариант, в котором индуктивное сопротивление спирального индуктора составляет величину от 1 до 2 мкГн.
На чертеже изображена схема устройства в общем виде.
Реактор для плазмохимического травления полупроводниковых структур содержит вакуумную камеру 1 с системой подвода газов 2 и системой откачки 3. В качестве системы подвода газов 2 может быть использована газовая линейка на базе регулятора расхода газа. В качестве системы откачки 3 может быть использована турбомолекулярный насос в комплекте с механическим насосом. В основании камеры 1 установлен подложкодержатель 4, соединенный с блоком ВЧ смещения 5. В качестве подложкодержателя 4 может быть использован металлический водоохлаждамый столик (система охлаждения столика не показана), выполненный из нержавеющей стали, сопряженный с механическим прижимом (не показан). В качестве блока ВЧ смещения 5 может быть использован стандартный ВЧ генератор в комплекте с согласующим устройством емкостного типа. Реактор для плазменной обработки полупроводниковых структур содержит также систему согласования, состоящую из спирального индуктора 6, трансформатора 7 и первого конденсатора 8, для соединения спирального индуктора 6 с ВЧ генератором 9. В качестве спирального индуктора 6 может быть использована односекционная или многосекционная катушка выполнена из медной трубки, с внутренним диаметром 2-6 мм. В качестве первого конденсатора 8 может быть использован высоковольтный переменный вакуумный конденсатор, максимальной емкостью 250 пФ типа КП1-8 (КП1-4). В верхней части вакуумной камеры 1 установлено диэлектрическое окно 10, выполненное, например, из кварцевого стекла, над которым размещен спиральный индуктор 6. Отличительные признаки изобретения заключаются в том, что трансформатор 7 имеет тороидальное исполнение и выполнен в виде ВЧ кабеля 11, намотанного на ферритовые кольца 12. В качестве ВЧ кабеля 11 может быть использован коаксиальный кабель РК 50-4-21, в качестве ферритовых колец 12 могут быть использованы кольца М100 ВНП K80×50×11 в количестве не менее 5 штук. Количество витков ВЧ кабеля 11 должно быть не менее семи, чтобы обеспечить отсутствие емкостной составляющей разряда. Внутренняя жила 13 ВЧ кабеля 11 с одной стороны соединена с выходом ВЧ генератора 9, с другой стороны подключена к первому выводу 14 спирального индуктора 6. Первый конец оплетки 15 ВЧ кабеля 11 соединен с землей, а второй конец оплетки 16 ВЧ кабеля 11 соединен со вторым выводом 17 спирального индуктора 6. В качестве оплетки ВЧ кабеля может быть использована гибкая оплетка из медной посеребренной проволоки.
В одном из вариантов система согласования дополнительно содержит второй конденсатор 18 и электронный переключатель ВЧ мощности 19. В качестве второго конденсатора 18 может быть использован высоковольтный переменный вакуумный конденсатор до 1000 пФ типа КП1-8 (КП1-4), в качестве электронного переключателя ВЧ мощности 19 может быть использован вакуумный выключатель В1В-1В1. Второй конденсатор 18 подключен между первым конденсатором 8 и первым выводом 14 спирального индуктора 6. Второй вывод 17 спирального индуктора 6 через электронный переключатель ВЧ мощности 19 соединен с землей.
Существует также вариант, в котором индуктивное сопротивление спирального индуктора 6 составляет величину от 1 до 2 мкГн.
-3
6
2
Устройство работает следующим образом. Перед началом работы устройства вакуумная камера 1 находится под вакуумом. Через клапан напуска (не показан) производят напуск (например, азота) в вакуумную камеру 1 до атмосферного давления, после чего, например, через шлюз (не показан) на подложкодержатель 4 устанавливают подложку 20 (например, кремниевую пластину с нанесенной на нее методом CVD алмазоподобной пленкой толщиной 100 мкм), закрепляют ее механическим прижимом и начинают откачку вакуумной камеры 1 системой откачки 3 до предельного вакуума (например, 10 Па). При достижении предельного вакуума осуществляют подачу рабочих газов (например, смесь Ar, SF, O) в вакуумную камеру 1 системой подвода газов 2 и устанавливают рабочее давление (например, 1 Па). Рабочее давление устанавливают любым известным методом, например, дроссельной заслонкой (не показана), после чего подают заданную мощность (например, 2 кВт) от ВЧ генератора 9 в объем вакуумной камеры 1, в результате чего происходит поджиг плазмы. Причем поджиг плазмы происходит, когда переключатель ВЧ мощности 19 находится в положении, при котором второй вывод 17 спирального индуктора 6 соединен с землей. После поджига плазмы переключатель ВЧ мощности 19 переводят в положение, при котором второй вывод 17 спирального индуктора 6 разомкнут с землей. Смещение на подложку 20 задают блоком ВЧ смещения 5 (например, 150 В) и начинают отсчет процесса плазмохимического травления в течение заданного времени (например, 85 минут), по окончанию которого отключают подачу ВЧ мощности от ВЧ генератора 9 и ВЧ смещения от блока ВЧ смещения 5. Далее прекращают подачу технологических газов от системы подвода газов 2 и вакуумную камеру 1 откачивают до предельного вакуума, после чего происходит напуск (например, азота) в вакуумную камеру 1 до атмосферного давления и извлечения подложки 20 через шлюз (не показан). В результате алмазоподобная пленка оказывается стравленой с поверхности подложки 20, причем скорость травления составляет величину примерно 1,2 мкм/мин.
То, что в реакторе для плазмохимического травления полупроводниковых структур трансформатор 7 выполнен в виде ВЧ кабеля 11, намотанного на ферритовые кольца 12, при этом внутренняя жила 13 ВЧ кабеля 11 с одной стороны соединена с выходом ВЧ генератора 9, с другой стороны подключена к первому выводу 14 спирального индуктора 6, первый конец оплетки 15 ВЧ кабеля 11 соединен с землей, а второй конец оплетки 16 ВЧ кабеля соединен со вторым выводом 17 спирального индуктора 6 приводит к резкому уменьшению потерь мощности при передаче больших (более 2 кВт) мощностей, передаваемых в вакуумную камеру 1, при этом сохраняется отсутствие емкостной составляющей в разряде. Вышеперечисленное приводит к увеличению скорости травления кремния, кварца, алмазоподобных пленок и других материалов, применяемых в конструкции современных полупроводниковых приборов и СВЧ схем подложки 20. Следствием этого является расширение функциональных возможностей устройства.
То, что система согласования дополнительно содержит второй конденсатор 18 и электронный переключатель ВЧ мощности 19, при этом второй конденсатор 18 подключен между первым конденсатором 8 и первым выводом 14 спирального индуктора 6, а второй вывод 17 спирального индуктора 6, через электронный переключатель ВЧ мощности 19, соединен с землей приводит к исключению трансформатора из схемы согласования при переключении электронного переключателя 19. При этом второй конденсатор 18 обеспечивает максимальную передачу мощности ВЧ генератора 9 в вакуумную камеру 1 путем изменения емкости второго конденсатора 18 и, как следствие приводит к устойчивому поджигу плазмы и увеличению скорости травления кремния, кварца, алмазоподобных пленок и других материалов, применяемых в конструкции современных полупроводниковых приборов и СВЧ схем подложки 20. Следствием этого также является расширение функциональных возможностей устройства.
То, что индуктивное сопротивление спирального индуктора 6 составляет величину от 1 до 2 мкГн, приводит к максимально эффективной передачи ВЧ мощности в реактор и, как следствие приводит к увеличению скорости травления кремния, кварца, алмазоподобных пленок и других материалов, применяемых в конструкции современных полупроводниковых приборов и СВЧ схем подложки 20. Это также расширяет функциональные возможности устройства.