DE69031370T2 - Gasätzung von substraten für entfernung von oxidschichten - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft das Gasätzen von Siliciumwafern und insbesondere das Ätzen von Stapeln von Wafern, die in einem linearen Waferträger getragen und in einer geschlossenen Kammer gedreht werden.
Hintergrund der Erfindung
• Bei der Bearbeitung von Halbleiterwafern aus Silicium und ähnlichen Materialien zur Herstellung von Schaltungchips ist das Ätzen von Oxidschichten oder -filmen auf der Oberfläche des Wafers ein wichtiger Aspekt der Bearbeitung.
• Bei der Waferbearbeitung wurde bisher häufig ein Ätzprozess verwendet, bei dem flüssige Säure und andere flüssige Chemikalien sowie deioinsiertes Wasser auf Siliciumwafer gesprüht wurden, welche in einem Waferträger aus Kunststoff eingeschlossen waren, der den schädigenden Effekten starker Chemikalien, wie z.B Säuren, standhält.
• Einer oder mehrere solcher Waferträger sind auf einem mit variabler Geschwindigkeit drehbaren Drehtisch oder Rotor in einem geschlossenen Kessel einer Säureprozessormaschine getragen. Eine solche Maschine hat viele variable Betriebsphasen mit unterschiedlicher Rotordrehzahl, sequentiellein Sprühen verschiedener flüssiger Prozeßchemikalien und mit Stickstoffgas zum Trocknen der Wafer, des Kessels und des Rotors zwischen verschiedenen Naßprozeßphasen. Eine Form eines Säureprozesses ist dargestellt und beschrieben in dem US-Patent 3,990,462. Ferner wird verwiesen auf die US-Patente 4,609,575, 4,682,615 und 4,69 1,722 hinsichtlich unterschiedlicher Sprühdüsenanordnungen und anderer Einrichtungen für den Naßätzprozeß. Auf das US-Patent 4,682,614 wird wegen einer annähernd horizontalen Maschine verwiesen.
• Das Ätzen von Siliciumwafern wurde durchgeführt mit dem Plasma bestimmter Gase. Das US-Patent 3,879,597 zeigt eine Anzahl von Wafern, die gleichzeitig mit Plasmatechnik geätzt werden.
• Einige frühe Arbeiten zum Chargenätzen von SiO&sub2; mit gasförmigem HF/H&sub2;O werden beschrieben in dem IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol 19, No. 7, Dezember 1976, K. D. Beyer und M. H. Whitehill. Eine Anzahl voh Wafern werden in einem Tablett über einer HF-Lösung angeordnet, dann in DI-Wasser gespült und schließlich in einer Salpetersäurelösung getaucht.
• Das Ätzen von Oxidfilmen auf Siliciumwafern wurde in den letzten Jahren mit Hilfe von wasserfriem Hydrogenfluoridgas durchgeführt. Hierzu wird auf US- Patent 4,749,440 verwiesen. Das ätzende Hydrogenfluoridgas ist üblicherweise verdünnt mit trockenem Stickstoffgas. Eine geringe Feuchtigkeitsmenge, die entweder als Dampf dem wasserfreien Hydrogenfluoridgas beigemischt ist oder sich in dem zu ätzenden Oxidfilm befindet, ist notwendigerweise anwesend bei der Reaktion mit dem Oxid des Filmes, um den Ätzprozeß auszulösen.
• Dieses bekannte Gasphasenätzen von Oxidfilmen auf Siliciumwafern wurde immer nur mit einem Wafer zur Zeit durchgeführt in einer Kammer, die zur Aufnahme nur eines Wafers ausgebildet war. Hierzu wird auf das oben genannte Patent mit der Endnummer '440 verwiesen sowie auf die US-Anmeldung S.N. 020,473, angemeldet am 2. März 1987 vom vorliegenden Anmelder.
Zusammenfassung der Erfindung
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung des Chargengasätzens von Halbleiterwafern zur wenigstens teilweisen Entfernung von Oxidfilmen oder -schichten von deren Oberflächen, um die schnellere Verarbeitung der Wafer zu erleichtern.
• Ein Gegenstand der Erfindung ist das Verfahren zur Chargenverarbeitung von Halbleiterwafern einschließlich des Ätzens von Teilen der Oxidfilme oder -schichten auf diesen unter Verwendung gasförmiger Ätzmittel einschließlichwasserfreien Wasserstofffluorids, und zwar in einer geschlossenen Kammer.
• Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist das Verfahren zur Verarbeitung einer Mehrzahl von Siliciumwafern, die von einem Waferträger getragen sind, wobei die Wafer einem Ätzgas ausgesetzt werden zum Entfernen von Teilen der Oxidfilme auf den Wafern, während die Wafer und der Träger auf einem Drehtisch oder Rotor in einer geschlossenen Kammer einer Säureprozeßmaschine gedreht werden. Die Wafer sind au ihrer Rückseite in Umfangsnähe gehalten und werden von Vorräten über den gesamten losen Waferstapel in dem Waferträger besprüht. Plasma oder plasmaerzeugende Gase sind nicht vorgesehen.
• Als ein Vorteil ergibt sich, daß viele Halbleiterwafer gleichzeitig geätzt werden können, während sie in dein Waferträger bleiben, mit dem sie gemeinsam getragen und transportiert werden können, wobei ferner das verbessrte Gasphasenätzen in einer bereits vorhandenen Einrichtung ausgeführt werden kann und in den Fabriken von Waferverarbeitungsfirmen.
• Wenn hier der Begriff "Ätzgas" verwendet wird, so soll darunter jede gasförmige Chemikalie verstanden werden, die zum Ätzen von Teilen von Oxidfilmen oder -schichten der Oberflächen von Wafern benutzt wird und solche Chemikalien können aktive gasförmige Chemikalien sein, wie wasserfreies Wasserstofffluoridgas, ein verdünnendes Gas, wie Stickstoffgas, und in einigen Fällen ein Anteil von Feuchtigkeit in Wasserdampfform, wenn Feuchtigkeit nicht in den Film oder der Oxidschicht auf dein Wafer vorhanden ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Säureprozessormaschine.
• Fig 2 zeigt einen Schnitt durch den Kessel und Rotor einer Ausführungsform der Säureprozeßmaschine, die geeignet ist, eine Anzahl von Waferträgern auf dem Umfang eines Rotors oder eines Drehtisches zu tragen.
• Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den offenen Kessel einer anderen Ausführungsform der Säureprozeßmaschine, geeignet zur Ausfuhrung der vorliegenden Erfindung, mit Darstellung eines einzelnen Waferträgers mit gestapelten Wafern, der im wesentlichen konzentrisch zu und oberhalb der Rotationsachse angeordnet ist.
• Fig. 4 zeigt einen Teilschnitt im wesentlichen nach Linie 4-4 in Fig. 3.
• Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform des Säureprozessors zur Durchführung der vorliegenden Erfindung, mit einem Kessel und Rotor, angeordnet unter einem Winkel zur Horizontalen, so daß die Rotationsachse angenähert horizontal ist.
• Fig. 6 zeigt im Ausschnitt eine Seitenansicht eines Waferträgers zur Halterung von zu bearbeitenden Wafern, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Zeichnungsbeschreibung
• Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Säureprozeßmaschine, geeignet zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens, wobei die Säureprozeßmaschine 10 geeignet ist zur Aufnahme einer Mehrzahl von Waferträgern oder Waferkassetten 11, die zur Rotationsachse beabstandet sind und in sich die Wafer um die Rotationsachse herum tragen.
• Die Fig. 3 und 4 zeigen eine andere Art der Säureprozeßmaschine, die mit 12 bezeichnet ist und solche Waferträger 11 oder 11.1, wie dargestellt, aufnimmt, und zwar im wesentlichen auf der Rotationsachse der Maschine.
• In der dritten Ausführungsform der Fig. 5 ist die mit 13 bezeichnete Säureprozeßmaschine zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens geeignet. Hierbei ist der Waferträger 11 auf einem Rotor 14 um eine Achse 15 rotierend angeordnet, die nahezu horizontal angeordnet ist, jedoch in einem leichten Winkel gegenüber der Horizontalen. Alle diese drei Ausführungsformen des Säureprozessors sind geeignet und werden dazu benutzt, das hier beschriebene Verfahren durchzuführen.
• Bei dem in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Säureprozessor weist die Maschine 10 einen Kessel 16 auf der eine Prozeßkammer 17 umschließt, die von einem Dekkel 18 verschlossen ist. Der Kessel und der Deckel sind vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt, wie z.B. Teflon PFA, können aber auch aus Edelstahl bestehen. Bei dieser Ausführungsform umschließt der Rotor 19, der ebenfalls aus Teflon PFA oder Edelstahl bestehen kann, eine Vielzahl von Abteilen 20, die symmetrisch um die Peripherie des Rotors 19 und äquidistant zur Rotationsachse des Rotors angeordnet sind, welcher auf einer Welle 21 gehalten und mit Lagern 22 getragen ist. Die Abteile 20 des Rotors 19 werden zusammengehalten von einer Deckplatte 23 und einer Bodenplatte 24 und sind in ihrer Größe zur Aufnahme und Umschließung eines solchen Waferträgers 11, gefüllt mit Siliciumwafern 25, ausgebildet. Die Siliciumwafer sind darin in einem Stapel angeordnet, in dem jeder der Wafer zu einem benachbarten Wafer ausgerichtet diesem gegenüberliegt und wobei jeder der Wafer quer und senkrecht zur Rotationsachse des Rotors 19 ausgerichtet ist. Die Waferträger 11 und die Wafer 25 darin sind zur Rotationsachse beabstandet und drehen mit dem Rotor um die Rotationsachse, welche sich längs zu den Waferstapeln und quer zu den einzelnen Wafern erstreckt.
• Wie Fig. 6 zeigt, ist der Waferträger geschlitzt, mit Öffnungen versehen oder durchbrochen und weist eine offene Oberseite 26 auf, die die Vorderseite des Trägers umfaßt, wenn dieser auf einer Seite steht, wenn er in dem Rotor 19 der Maschine montiert ist. Der Waferträger 11, der aus PFA-Teflon gebildet ist, das auch als perfluoralkoxyschmelzverarbeitbarer Kunststoff bekannt ist und hoch widerstandsfähig gegen die zersetzeuden Effekte starker Chemikalien, wie Säuren, ist, weist auch einen offenen Boden 27 zwischen den nach innen versetzten Unterteilen 28 des Trägers auf, um die Wafer in Nuten 29 aufzunehmen, welche Aufnahmen für die Wafer ausbilden, wenn sie in dein Waferträger getragen sind. Zwischen den verschiedenen Nuten 29 sind mehrere Rippen oder Zähne 30 vorgesehen, die sich vom Unterteil über die Seitenwand ganz nach oben erstrecken, um die Wafer beabstandet und ausgerichtet zueinander zu halten. Die Seitenwand 31, an der die Zähne oder Rippen 30 ausgebildet sind, ist mit mehreren Schlitzen 32 versehen, um den Durchgang von Ätzgas durch den Waferträger zu den darin umschlossenen Wafern 25 zu erleichtern. Wenn der Wafertäger 11 in dem Rotor angeordnet ist, ist die Rückseite der Wafer an ihren Kantenbereichen von den Rippen 30 getragen, so daß die gesamte Vorder- bzw. Oberseite des Wafers der Atmosphäre in der Kammer 17 ausgesetzt ist und im wesentlichen die gesamte Rückseite des Trägers der Atmosphäre in der Kammer 17 ausgesetzt ist.
• Der Waferträger 11 weist eine Endwand auf, bestehend aus einem Querträger 33, der auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein kann und Flansche 34 zur Verstärkung aufweisen kann. Der Träger 33 erstreckt sich quer über den Waferträger, und die Seitenwände 31 können gegenüber dem Querträger durch Versteifungen 35 verstärkt sein.
• In der Maschine 10, wie in Fig. 2 dargestellt, erstreckt sich eine zentrale Sprühsäule 36 vom Deckel 18 abwärts im wesentlichen in der Rotationsachse des Rotors 19 und längs dein Waferträger 11 und dem Stapel von Wafern 25 darin. Die Sprühsäule weist eine Viellzahl von Düsen 37 auf zur Ausrichtung des Prozeßgases einschließlich des Ätzgases auf die Wafer, wenn sie mit dein Rotor im Kessel 16 rotieren. Ätzgas und andere Gase werden durch ein Kopfteil 37.1 zugeführt, das mit verschiedenen Gasleitungen 38, 38.1 verbunden ist, durch die Gas den Düsen 37 zum Sprühen auf die Wafer und über die volle Läuge des Waferstapels im Kessel zugeführt wird.
• Der Rotor wird von einem Motor 39 variabler Drehzahl angetrieben, der mit der Welle 21, z.B. durch einen Treibriemen 40, verbunden ist. In dieser Ausführungsform weist die Welle 21 einen inneren Strömungsdurchgang 21.1 auf zur Lieferung von Strömungsmedien zu Zweigrohren 42 und Düsen 43. Diese Düsen 43 sind besonders geeignet zur Ausrichtung von Spül- oder Reinigungsflüssigkeit, wie deionisiertes Wasser für die Kammer 17, wenn dies gewünscht ist, und von Trocknungsgas, wie Stickstoff um sicherzustellen, daß die Innenseite des Kessels 16 während des Prozesses trocken bleibt. Eine Absaugleitung 44 ist zum Absaugen von Gasen aus der Kammer 17 derart vorgesehen, daß erforderlichenfalls ein Spüldurchfluß von Gas möglich ist. Außerdem ist ein Abfluß 45 vorgesehen zum Entfernen von Spül- oder Reinigungsflüssigkeiten während bestimmter Reinigungsvorgänge, falls diese benötigt werden.
• Ersichtlich befinden sich die Wafer 25 in den Waferträgern 11, wenn diese auf dem Rotor getragen sind, voneinander durch Abstände 25.1 getrennt, so daß Gase über die Oberflächen der Wafer laufen können, um den Ätzvorgang zu bewirken.
• Der Waferträger 11 ist ähnlich dem ausgebildet, der in dem US-Patent 3,961,877 dargestellt ist, aber es können auch andere ähnliche Träger in dieser Maschine zur Durchführung des beschriebenen und hier beanspruchten Verfahrens verwendet werden.
• Der besondere Ätzprozeß ist in seinen wesentlichen Einzelheiten in dem US- Patent 4,749,440 beschrieben, auf das hier Bezug genommen wird, und braucht daher zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht noch einmal wiederholt zu werden. Die Ätzgase werden durch die Düsenöffnungen 37 zugeführt und sind auf die Kanten der Wafer 25 und durch die Abstände 25.1 zwischen diesen gerichtet, um die Oberflächen der Wafer zu überlaufen und an diesen das Ätzen der Oxide zu bewirken. Gleichzeitiges Ätzen einer Mehrzahl von Wafern, die in dem Träger 11 gehalten sind, ergibt sich, da eine Vielzahl von Orten existieren, au denen das Gas aus der Sprühsäule 36 austritt, und man sieht, daß die Öffnungen 37 in einer Reihe über die Fläche der Sprühsäule 36 angeordnet sind. Wenn der Rotor dreht, werden natürlich die Wafer in den mehreren Trägern 11, die um die Peripherie des Rotors 19 angeordnet sind, nacheinander dem Spray von Ätzgas ausgesetzt, das aus der zentralen Sprühsäule entweicht.
• Die folgende TABELLE I gibt Resultate wieder, die beim Gasphasenätzen mit einem Ätzprozessor erhalten wurden, der im wesentlichen dem der Fig. 2 entspricht. TABELLE 1 TESTERGEBNIS
• In den Fig. 3 und 4 ist eine ähnliche, jedoch leicht unterschiedliche Ausführungsform der Säureprozeßmaschine dargestellt mit einer leicht unterschiedlichen Ausführungsform des Waferträgers 11.1. Dieser Waferträger 11.1 hat zusätzliche Schlitze 32.1 und 32.2, so daß die Seitenwände des Waferträgers mit vielen Löchern versehen sind, um den Fluß des gesprühten Ätzgases so wellig wie möglich zu beschränken. Die Waferträger 11 und 11.1 können in den unterschiedlichen Ausführungsformen der dargestellten Maschinen austauschbar verwendet werden. Man sieht bei der Ausführungsform der Prozeßmaschine gemäß Fig. 3, daß die Wafer 25 im wesentlichen in derselben Weise in dem Waferträger gehalten sind, wie gemäß Fig. 2, und daß die Wafer mit dein Träger 11.1 im Sinne des Pfeiles "a" um die Rotationsachse 46 umlaufen, die sich entlang und durch die in dem Stapel ausgerichteten Wafer erstreckt. Der Kessel 47 hat wiederum einen Deckel 48 zum Verschließen der gesamten Kammer 49. Ein Spray von Ätzgas kann aus einer oder mehreren Düsen 50, 51 austreten, und das verdünnende Gas zum Reinigen der Kammer kann ebenfalls durch eine der dargestellten Düsen 50 zugeführt werden. Man sieht, daß bei der Ausführungsform der Prozeßmaschine nach Fig. 3 die Wafer 25 mit dem Träger 11.1, wie mit dem Pfeil "a" angedeutet, um die Rotationsachse 46 rotieren, die sich entlang und durch die in dem Stapel orientierten Wafer erstreckt. Wiederum hat der Kessel 47 einen Deckel 48 zum Verschließen der inneren Kammer 49. Spray von Ätzgas kann von einer oder mehreren der Düsen 50, 51 austreten, und Verdünnungsgas zum Reinigen der Kammer kann ebenfalls durch eine der Düsen 50 zugeführt werden, Filme oder Schichten, die auf den Oberflächen der Wafer sein können. Die Drehachse des Trägers 32.1 und der darin befindlichen Wafer erstreckt sich entlang dem Waferstapel und quer zu den einzelnen Wafern; und bei dieser Maschine ist die Drehachse auch die Achse der ausgerichteten Wafer in dem Stapel.
• Eine Leitung 53 ist vorgesehen, um die Gase entweichen zu lassen, wie dies gewünscht ist, um Zirkulation zu erzielen, und ein Abfluß 54 ist vorgesehen, um Flüssigkeiten entweichen zu lassen, die benutzt werden, um die Innenseite der Kammer zu reinigen. Es ist jedoch zu beachten, daß bei der normalen Bearbeitung der Wafer mit Gasphasenätzen normalerweise keine Flüssigkeit verwendet oder auf die Wafer gesprüht wird. Jedoch gibt es einige Fälle, in denen auf das Ätzen ein Sprühen mit deionisiertem Wasser folgt zum Entfernen von Partikeln.
• Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist der Kessel in fast horizontaler Position ausgerichtet und umschließt die Rotationsachse 15 des Rotors 14. Ein Deckel 56, der geöffnet werden kann, erleichtert den Zugang in das Innere 57 des Kessels bzw. der Kammer. Wiederum sind die Wafer 25 in einem Stapel längs zur Rotationsachse 15 ausgerichtet und werden in diesem Falle von der Rotationsachse geschnitten und liegen quer zur Rotationsachse Düsen 57 in der Seitenwand des Kessels richten Ätzgas in die Kammer und zu den Kanten der Wafer, um die Oberflächen der Wäfer zu überstreichen, die in mit Löchern versehenen Waferträgern in der Kammer getragen sind. Der Rotor 14 und der Waferträger in dein Kessel 55 sind leicht geneigt, damit die Wafer in den Rippen in dem Träger getragen sind, wie zu Fig. 2 beschrieben.
• Bei dieser Ausführungsform ist ein Motor 58 direkt mit dem Rotor 14 verbunden, um die erforderliche Drehung des Rotors und der von diesem getragenen Wafer zu bewirken.
• Man sieht, daß hiermit ein Verfahren beschrieben ist zum Bearbeiten einer Vielzahl von Halbleiter-Silicium-Wafer in einer Säureprozeßmaschine, die normalerweise ausgebildet ist zur Benutzung nasser Ätzflüssigkeiten. Die Ätzgase werden in die Kammer zugeführt zum Überqueren der Oberflächen der darin bearbeiteten Wafer. Das beschriebene Verfahren kann auch in Verbindung mit Plasma oder plasmabildenden Gasen verwendet werden, die der Kammer zugeführt werden. Der Rotor kann relativ zu den Düsen rotieren, wie dargestellt, aber es können auch die Sprühdüsen um den Waferträger rotiert werden, der einen Stapel von Wafern trägt, um die erforderliche Relativrotation zwischen der Quelle von Spraygas, von dem das Ätzgas entweicht, und den Wafern zu erzeugen, die von dem Rotor und dem Waferträger getragen werden. Natürlich müssen die Sprühdüsen und der Kessel sowie die anderen Teile darin von derartiger Ausbildung sein, daß sie dein zerstörenden Effekt des starken Ätzgases standhalten.

Claims (4)

1.Veufahren zur Gasphasen-Ätzung von Halbleiter-Wafern zur Entfernung von Teilen der Oxidfilme auf den Wafern, aufweisend das Einschließen eines Wafers in einem Raum, Ausrichtung des Wafers quer zu einer Rotationsachse, Drehen des Wafers in dem Raum um die Rotationsachse, Zuführung von Ätzgas in den Raum zum Ätzen des Oxidfilmes auf dein Wafer und das kontinuierliche Absaugen des Gases aus dein Raum, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Halbleiter-Wafern in einen Waferträger geladen wird mit Abständen zwischen jedem Wafer und angrenzenden Wafern, der Waferträger mit den Halbleiter-Wafern darin in den Raum geladen wird und das in den Raum geführtes Ätzgas durch die Abstände zwischen den Halbleiter-Wafern gerichtet wird zur gleichzeitigen Ätzung der Mehrzahl von Halbleiter-Wafern, wobei das Verfahren weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß das Ätzgas in jeden der Abstände zwischen den Halbleiter-Wafern von, jedem der Abstände benachbarten, gerichteten Düsenmündungen geleitet wird.

2. Verfahren zur Gasphasen-Ätzung von Halbleiter-Wafern nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch die Ausrichtung der Halbleiter-Wafer in koaxialer Anordnung zueinander in einem Stapel und Drehung des Waferträgers und der Halbleiter-Wafer um eine Achse, die sich durch den Stapel und quer zu den Wafern in dem Stapel erstreckt.

3. Verfahren zur Gasphasen-Ätzung von Halbleiter-Wafern nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die abwechselnde Zufuhr von Ätzgas und von anderen Prozeßmedien durch Sprühdüsen aufweist, die zusätzlich zu den gerichteten Mündungen vorgesehen sind, die zur Zufuhr voll Ätzgas dienen, wobei die anderen Prozeßmedien deionisiertes Wasser zum Reinigen der Wafer und Trocknungsgase zum Trocknen der Wafer aufweisen.

4. Verfahren zur Gasphasen-Ätzung von Halbleiter-Wafern nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch die Halterung der Halbleiter-Wafer in dem Waferträger durch Eingriff nur mit Teilen des Wafers angrenzend an die Umfangsränder des Wafers, wodurch beide Flächen jedes Wafers dem Ätzgas ausgesetzt sind, das in jeden der Abstände zwischen den Wafern zum gleichzeitigen Ätzen beider Flächen jedes Halbleiter-Wafers zugeführt wird.