CH644405A5 - Verfahren zum herstellen eines gegenstandes. - Google Patents

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CH644405A5
CH644405A5 CH706479A CH706479A CH644405A5 CH 644405 A5 CH644405 A5 CH 644405A5 CH 706479 A CH706479 A CH 706479A CH 706479 A CH706479 A CH 706479A CH 644405 A5 CH644405 A5 CH 644405A5
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CH
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etching
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halogen
plasma
etchant
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CH706479A
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English (en)
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William Reid Harshbarger
Hyman Joseph Levinstein
Cyril Joseph Mogab
Roy Arlie Porter
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Western Electric Co
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für einen Gegenstand der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Solche Herstellungsverfahren sind sowohl bei integrierten Schaltungen hoher Packungsdichte und Musterfeinheit als auch bei diskreten Bauelementen anwendbar. Die Technologie mit den grössten Auswirkungen ist derzeit jene, die auf Silizium beruht. Andere Anwendungsgebiete umfassen jene Technologien, die auf anderen Halbleitern beruhen oder auf Magnetismus, integrierten optischen Schaltungen usw.
Die hochintegrierten Schaltungen, die sog. LSIC's, die auf Siliziumtechnologie beruhen, sind für auf lithographischem Wege erzeugte Schaltungen hoher Bauelementdichte beispielhaft. Schaltungen, ebenso diskrete Bauelemente, soweit vom Herstellungsstandpunkt aus verknüpft, beruhen auch auf einer anderen Halbleitertechnologie. Andere Interessensge-biete umfassen die magnetischen Schaltungen, z.B. Blasenspeicher, integrierte optische Schaltungen usw. Da die LSIC-Herstellung auf Siliziumbasis für das erfindungsgemässe Verfahren beispielhaft ist, erfolgt die Beschreibung anhand dieses Beispiels.
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Derzeit erfolgt die Mustererzeugung auf diskreten Masken, wobei die Replizierung von Mustern in strahlungsempfindlichen Schichten (Resistschichten) als die Masken auf der Anordnung während der Herstellung erfolgt. Der Trend zu erhöhter Miniaturisierung (vom derzeit üblichen Entwurfsre-gelabstand von etwa 4 (im auf schliesslich Submikrometer) führt zu Änderungen der Herstellungsmethoden. Beispielsweise nimmt das Interesse - hauptsächlich wegen Ausrichtungsproblemen - an einem maskenlosen Herstellungsweg, der als Direktbearbeitung bekannt ist, zu. Bei der Direktbearbeitung sind Resistschichten auf den Plättchen selber entworfene Primärmuster und dienen danach als Einweg-Maskier-schichten.
Maskierschichten, ob sie nun durch Primär- oder Sekundärmusterbildung erzeugt worden sind, dienen zur Ausformung von darunter liegendem Material nach den verschiedensten Verfahrensschrittfolgen. Ein Verfahren von besonderem Interesse betrifft die Ätzung, um gemusterte Materialschichten wie einkristallines oder polykristallines Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid (manchmal aus einem Plasma niedergeschlagen, manchmal pyrolytisch niedergeschlagen) usw., zu erzeugen.
Die derzeitigen Entwurfsregeln sind so, dass adäquate Musterfeinheit (Merkmalsauflösungsvermögen) im Nassverfahren, beispielsweise durch chemisches Ätzen, erhalten werden kann.
Das Bedürfnis nach kleinerem Mustermerkmalsabstand führt zu dem begleitenden Bedürfnis nach streng kontrollierten Ätzprofilen (im allgemeinen nach glatt senkrechten Ätzwänden ohne nennenswerte Hinterschneidungen unter den Maskier-Resistkanten).
Das Bedürfnis nach anisotropem Ätzen ist durch Hochenergie-Trockenverfahren, wie Ionenätzung, Zerstäuben und dgl. befriedigt worden. Derartige Verfahren arbeiten zwar für viele Zwecke befriedigend, komplizieren aber die Herstellung durch Strahlungsschäden, schnelle Resist-Erosion und andere Wirkungen als Folge des Strahlungsbombardements. Plasmaätzverfahren bieten zwar die Vorteile der Trockenbearbeitung, führen aber nicht immer zu einer gesteuerten anisotropen Ätzung. Während vertikale Wände manchmal durch geeignete Wahl der Plasmabedingungen (Verwendung niedrigen Druckes und anderen Bedingungen, die Richtungsabhängigkeiten einführen) erhalten werden können, können wiederum Strahlungsschäden ein Problem sein.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen, insbesondere von Bauelementen und Schaltungen, anzugeben, das den Vorteil von Plasmaätzverfahren ausnützt, um eine Flexibilität im Ätzprofil zu ermöglichen. Die Systeme sollen hinreichend flexibel sein, um zu vertikalen Wänden oder anderen gewünschten Profilen zu führen.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet.
Im Hinblick auf die übliche Präferenz vertikaler Ätzwände wird das Hinterschneiden gesteuert. Die Ätzung von unterhalb der Resistschichten liegenden Seitenwänden wird dadurch gesteuert, dass Rekombinationsstellen für die aktive Ätzmittel-Spezies in der Nähe dieser Wände vorgesehen werden.
Das Ätzen entsprechend dem erfindungsgemässen Verfahren rührt von Spezies her, die sich aus der Einführung einer geeigneten Gaszusammensetzung in das Plasma ergeben. Die Gaszusammensetzung kann als ausgeprägte Spezies enthaltend aufgefasst werden, die im Plasma (a) zu einer überwiegenden wirksamen Ätzmittelspezies und (b) zu einem Rekombinationspartner führen. Während es bequem ist, diese beiden Spezies so zu identifizieren, kann jede dieser beiden Plasmaspezies hinsichtlich ihrer Funktionen rudimentär sein - auf Oberflächenzuständen oder anderen Reaktionen beruhen.
Ein wesentlicher Teil der Erfindung ist es, dass getrennt identifizierbare Reaktionspartner implizit die Änderung in den relativen Anteilen solcher Reaktionspartner erlauben. Änderungen im Reaktionspartner-Verhältnis, die zu einer Änderung im Hauptätzmittel/Rekombinationspartner-Ver-hältnis führen, ermöglichen ein Zuschneidern des Ätzprofils. Bei bevorzugten Ausführungsformen können glatt vertikale Wände (oder andere gewünschte Profile) für eine grosse Vielfalt von Verfahrensbedingungen durch Ändern dieses Verhältnisses erzeugt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren, sowie Weiterbildungen hiervon, ist beispielsweise nachstehend im einzelnen beschrieben.
1. Allgemeines
Das erfindungsgemässe Verfahren befasst sich mit der Herstellung von Gegenständen, wie integrierten Schaltungen und diskreten Bauelementen, wobei im Herstellungsverlauf wenigstens ein Plasmaätzvorgang stattfindet. Erforderliche vorausgehende lithographische Schritte können durch Replizierung mit Hilfe einer diskreten Maske oder auf maskenlosem Weg, d.h. durch Direktbearbeitung, vorgenommen werden. In jedem Fall sind die zu bearbeitenden Gegenstände im relevanten Verfahrensstadium mit einer haftenden, gemusterten Resistschicht versehen, wobei das Muster erzeugt ist erstens durch aktinische Strahlung, die die Löslichkeit ändert, und zweitens durch Entwicklung in einem Lösungsmittel, um entweder die exponierten oder die nicht exponierten Bereiche, je nachdem, ob es sich um einen Positivoder Negativ-Resist handelt, selektiv zu entfernen. Bei gewissen Verfahrensvarianten kann der «Resist» selber nicht durch aktinische Strahlung mit einem Muster versehen werden, sondern direkt oder indirekt durch Replizierung von einem darüber liegenden strahlungsempfindlichen, gemusterten Material. Die hier interessierende Bearbeitung setzt notwendigerweise selektives Plasmaätzen des blanken Substrates voraus, das unter dem gemusterten Resist gelegen ist. Betroffene Materialien - die zu ätzenden Materialien -ändern sich entsprechend dem zu bearbeitenden Gegenstand. In dem kommerziell bedeutsamen Fall der LSIC's umfassen die derzeit betroffenen Materialien Silizium (einkristallin oder polykristallin), Siliziumoxid (dotiert oder undotiert), Siliziumnitrid (aus dem Plasma oder pyrolytisch niedergeschlagen), ebenso Resiste selber (deren Entfernung beispielsweise das Abheben von darüber liegendem Material betreffen kann) usw. Je nach Technologie, Halbleiteroptik, magnetische Bauelemente usw., können andere Materialien betroffen sein. Beispiele hierfür sind Bornitrid, weichmagnetische Nickel-Eisen-Legierungen (Permalloy), substituierte Yttrium-Eisen-Granate, Lithiumniobat, Lithiumtantalat usw.
Das vorliegende Verfahren ist von grundsätzlicher Bedeutung bei der Herstellung von Bauelementen oder Schaltungen mit feinen Details. Derzeit liegen die Entwurfsregelabstände für Silizium-LSIC's bei etwa 4 |im. Bei der Herstellung solcher LSIC's ist die Verwendung von Plasmaätzung üblich.
Die zunehmende Miniaturisierung mit der begleitenden Abnahme der Entwurfsregelabstände auf den Mikrometer-und den Submikrometer-Bereich wird wahrscheinlich zu einer zunehmenden Anwendung des Plasmaätzens führen. Die Verringerung der Entwurfsregelabstände führt zu weiteren Anforderungen an die Ätzprofile, und zwar im allgemeinen hinsichtlich vertikaler Wände mit minimalen Hinterschneidungen.
Die vorstehenden Desiderata werden durch die Verwen5
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dung von Ätzsystemen realisiert, wie diese durch Einführen gasförmiger Reaktionspartner resultieren, die als eine Mischung von zwei oder mehr zu Komponenten führenden Bestandteilen aufgefasst werden können. Das Einführen solcher Reaktionspartner in das Plasma führt zu zwei Spezies, nämlich erstens zu einer überwiegenden, als Hauptätzmittel wirksamen Spezies und zweitens zu einem Rekombinationspartner. Die Natur des Rekombinationspartners ist so, dass eine Rekombination der überwiegenden Spezies in der Nähe der Ätzwände oder bei denselben auftritt, um ein Vehikel zum Steuern des Ätzangriffgrades der Wände zu schaffen.
Eine bedeutsame Eigenschaft des erfindungsgemässen Verfahrens beruht auf der Beobachtung, dass der Anteil des Reaktionspartners ebenso des Hauptätzmittels begrenzt ist. Die Einstellung der Menge des einen gegenüber dem anderen erlaubt einen Steuerungsgrad, der zu vertikalen, flachen Ätzwänden führen kann oder, wegen dieser Kontrollmöglichkeit, zu Wänden, die einen steuerbaren Hinterschneidungs-grad zeigen. Es ist sogar unter Bedingungen, bei denen der Rekombinationspartner gegenüber dem Hauptätzmittel bevorzugt wird, möglich, Wände zu erzeugen, die eine «negative Hinterschneidung» aufweisen (bei denen also die geätzten Wände über den Maskenrand hinaus in den unmas-kierten Bereich vorstehen).
2. Definitionen
Der besseren Erläuterung halber ist es zweckmässig, die einzelnen Ausdrücke zu definieren, die teils bereits in Gebrauch, teils der Erfindung eigen sind.
Plasmaätzen: Eine Ätzung, die hauptsächlich als Folge der innerhalb eines Plasmas erzeugten Bedingungen fortschreitet. Die Definition umfasst eine Reihe Verfahren, die üblicherweise mit spezielleren Ausdrücken belegt sind, beispielsweise reaktives Ionenätzen, Zerstäubungsätzen usw. Für die vorliegenden Zwecke sind die betroffenen Verfahren jene, die bei hinreichend niedriger Leistung und hinreichend hohem Druck ablaufen derart, dass die Ätzung hauptsächlich von einer chemischen Reaktion an der zu ätzenden Oberfläche abhängt. Der Ausdruck Plasmaätzung soll dabei jene Prozeduren ausschliessen, bei denen der vorherrschende Entfernungsmechanismus auf Impulsübertragung beruht, d.h. das vorliegende Verfahren befasst sich beispielsweise nicht mit dem sog. Ionenmahl-Verfahren (Ion Milling).
Resist: Der Ausdruck wird im Sinne seiner impliziten Bedeutung benutzt, d.h. zur Definition eines Materials auf einem zu ätzenden Substrat, das den Reaktionsmittelangriff oder den Ätzmittelangriff am darunter liegenden Material begrenzt. Entsprechend dem üblichen Gebrauch ist es nicht erforderlich, dass der Resist entweder in seiner ursprünglichen oder in seiner gemusterten Form strahlungsempfindlich sein muss. Demgemäss umfasst der Ausdruck sowohl ein aufliegendes Material, das selber durch entsprechende Bestrahlung und nachfolgende Entwicklung gemustert werden kann, als auch aufliegendes Material, das selbst nicht strahlungsempfindlich ist, sondern nach anderen Methoden gemustert werden kann. Im allgemeinen ist für die vorliegenden Zwecke das Resistmaterial gemustert, da es für Randbereiche am relevantesten ist, die Grenzlinie zwischen dem beizubehaltenden und zu ätzenden Material zu bilden.
Reaktionspartner: Der Ausdruck bezieht sich auf Material, wie dieses in das Plasma eingeführt wird. Dieses Material, normalerweise gasförmig, kann als Gasmischung aufgefasst werden, die wenigstens zwei Reaktionspartnerkomponenten aufweist, nämlich erstens die Ätzmittelkomponente und zweitens die Rekombinationspartnerkomponente. Solche Reaktionspartner, die normalerweise neutral (ungeladen) sind, können elementare, zweiatomige und/oder chemisch kombinierte Spezies umfassen. Während die beiden angegebenen Reaktionspartnerkomponenten von hauptsächlicher Bedeutung für das vorliegende Verfahren sind, können auch andere Materialien eingeführt werden. Dieses zusätzliche s Material kann als Träger, als Verdünnungsmittel usw.,
dienen.
Aktive Komponenten: Es sind dieses die im Plasma vorhandenen Komponenten, die für die beiden hauptsächlichen Funktionen verantwortlich sind:
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Hauptätzmittel: Die Spezies, die durch chemische Reaktion mit der zu ätzenden Oberfläche hauptsächlich für den Materialabtrag verantwortlich ist/sind. Für viele Zwecke erfolgt die Erläuterung anhand der vorherrschenden Haupt-15 ätzmittel; und Rekombinationspartner: Rekombinationszentren, die für die Beendigung der effektiven Lebensdauer der vorherrschenden Ätzspezies verantwortlich sind. Die Bedingungen für das vorliegende Verfahren werden so gewählt,
dass der Rekombinationspartner dahingehend wirksam ist, 20 das vorherrschende Hauptätzmittel bei den Ätzwänden oder in der Nähe hiervon zu inaktivieren (oder wenigstens in der Aktivität deutlich herabzusetzen).
Ätzprofil: Die im geätzten Material erzeugte Wandkonfi-25 guration. Im allgemeinen bezieht sich der Ausdruck auf solche Profile bei oder nach der Ätzung. Betroffene Profile sind:
Vertikal: Im wesentlichen ebene Ätzwände auf einer Ebene, die mit dem definierenden, aufliegenden Resistrand 30 zusammenfällt und senkrecht zur Substratoberfläche orientiert ist. Während etwas Resistrandätzung auftreten kann, wird diese wünschenswerterweise minimalisiert, so dass die Ebene in einer Lage ist, die die des Resistrandes vor der Ätzung annähert;
3S Hinterschneiden: Eine geätzte Wand, von der ein Teil, generell der obere Teil, unterhalb des Résistés und hinter dem Resistrand gelegen ist;
Negative Hinterschneidung: Sie definiert während des Ätzens erzeugte Randausbildungen, wobei während des Fort-40 schreitens der Ätzung diese auf ein verringertes Gebiet einwirkt, so dass die Bodenebene des geätzten Bereichs kleiner als das Merkmal ist, wie dieses durch die entsprechende Resistöffnung definiert ist.
45 Isotropes Ätzen: Bezieht sich auf einen beliebigen Ätzpro-zess, bei dem die Ätzung in sämtlichen Richtungen (sowohl in vertikaler als auch seitlicher Richtung) mit gleichförmiger Geschwindigkeit fortschreitet. Isotropes Ätzen führt daher zu einer Hinterschneidung, jedoch zu einer bestimmten Hinter-so schneidungsform derart, dass die am dichtesten beim Resist gelegene geätzte Zone um einen Betrag hinterschneidet, der etwa gleich der vertikalen Ätztiefe ist. Isotropes Ätzen ist unabhängig von einer Hinterschneidung als Folge einer Überätzung (die beispielsweise während einem anisotropen Ätzen 55 auftritt).
Anisotropes Ätzen: Eine Ätzung, die von einer gewissen Richtungsabhängigkeit herrührt und eine Divergenz vom isotropen Ätzen erzeugt. In diesem Sinne kann ein Hinterschneiden, ob positiv oder negativ, anisotrop solange sein, 60 wie die Ätzung in zwei Richtungen, z.B. vertikal und seitlich, ungleich fortschreitet. Ideale anisotrope Ätzung bezieht sich auf eine Ätzung, die zu einer im wesentlichen ebenen, senkrechten Ätzwand führt, die etwa in der Ebene des anfänglichen Resistrandes vor der Ätzung gelegen ist.
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3. Reaktionspartnerzusammensetzung
Die allgemeine Natur der Reaktionspartnerzusammensetzung ist unter dem vorstehenden Abschnitt angegeben
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worden. Beispielhafte Systeme beruhen generell auf einer von einem Halogen abgeleiteten aktiven Ätzmittelspezies - dieses auf der Basis einer massenspektroskopischen Analyse auf der Abströmseite. Eine solche Spezies, wahrscheinlich atomares Halogen, beispielsweise Chlor oder Brom, wird in kombinierter Form in das Reaktionsmittel eingeführt. Im Falle von atomarem Chlor als vorherrschende Spezies, kann die Einführung in Form von Ch, CF3CI usw. erfolgen. Der Reaktionspartner ist üblicherweise gasförmig, und zur Vermeidung einer möglichen Kondensation ist sämtlich eingeführtes Material wünschenswerterweise bei Raumtemperatur oder nahe bei Raumtemperaturen gasförmig. Der Rekombinationspartner ist, im Falle von Siliziumätzung, wahrscheinlich ein Fluorkohlenstoff. Beispiele sind C2F6 und CF3CI. Für Ätzmittelsysteme und Bedingungen, die zu brauchbaren Ätzgeschwindigkeiten führen, ist es ein allgemeines Erfordernis, dass der Rekombinationspartner als Ätzmittel relativ inaktiv gegenüber den Materialien des zu bearbeitenden Gegenstandes ist. Während Fluorkohlenstoff-Radikale hinsichtlich Silizium ausreichend inaktiv sind, ebenso auch hinsichtlich den darüber liegenden Resists, sind sie generell für gewisse andere Materialien nicht geeignet, beispielsweise für Aluminium. In einem hier gegebenen Beispiel leitet sich der für Aluminiumätzung wirksame Rekombinationspartner aus dem Reaktionspartner BCb ab.
Die relativen Anteile der beiden Wirkkomponenten werden so bestimmt, dass sie im gewünschten Ätzprofil resultieren. Die betroffenen Bedingungen, die nachstehend noch im einzelnen erörtert werden, sind das Resistrandoberflä-chengebiet und andere Bedingungen, die für die Rekombinationspartner-Menge und für das vorherrschende Hauptätzmittel bestimmend sind. Letzteres, das hauptsächlich anhand der Natur des vorherrschenden Hauptätzmittels selber bestimmt ist, wird auch durch andere Parameter, einschliesslich Leistung, Druck usw. beeinflusst. Unter zahlreichen Bedingungen überwiegt die eingeführte Rekombinationspartnerkomponente die Hauptätzmittelkomponente um einen Faktor 2 oder mehr für ideal anisotropes Ätzen (die angegebenen Verhältnisse sind generell Molenverhältnisse). Demgemäss ist CF3CI, das als eine l:l-Molenmischung von Rekombinationspartner und Hauptätzmittel aufgefasst werden kann, zumindest nicht für im wesentlichen anisotrope Ätzung im vorliegenden Verfahren geeignet. Das vorherrschende Hauptätzmittel, das aus dieser l:l-Mischung herrührt, führt zu einem Hinterschneidungsgrad, der im allgemeinen für den betroffenen Anwendungsfall unter bevorzugten Ätzbedingungen übermässig gross ist.
Das vorliegende Verfahren erlaubt Flexibilität im Zuschneidern des Profils, was aus der Spezifizierung des Komponentenverhältnisses resultiert. CF3CI kann zusammen mit dem Rekombinationspartner C2F6 eingeführt werden, um ein Ätzprofil zu erhalten, das sich für Herstellungszwecke generell eignet. Für das beispielhafte System C2F6-CI2 mit 5 bis 14 Volumprozent Cb resultiert vernünftig schnelles Ätzen, und es führt, unter den anderen hier beschriebenen Bedingungen, zu Profilen, die entweder ideal anisotrop oder anderweitig für die meisten Zwecke geeignet sind. Während die wirksamen Reaktionspartnerspezies komplexer sein können, ist es zweckmässig, sie anhand des wahrscheinlich vorherrschenden Hauptätzmittels Cl und anhand des Rekombinationspartners CF3 zu betrachten. In diesen Ausdrücken und unter der Annahme einer proportionalen Plasmaaktivierung kann ein Formeleinheitverhältnis von 2 bis 14% sowohl zu einem wirksamen Ätzen als auch zu im wesentlichen idealer oder anderweitig unter den meisten Fällen erwünschter Anisotropie führen. Im Hinblick auf den Umstand, dass die Selektivität (z.B. für Silizium gegenüber SÌO2) mit zunehmend eingeführtem Ch zunimmt, kann ein brauchbares Verhältnis die angegebenen 14% überschreiten und einen Wert von bis zu 90% oder sogar noch mehr annehmen, wenn der Abstand ausreichend ist, so dass das resultierende Hinterschneiden toleriert werden kann.
Ein weiteres beispielsweise benutztes System ist das verwandte Halogensystem, das auf der Einführung von kombiniertem Brom beruht. Verhältnisbereiche für dieses System sind ähnlich den für das analoge Chlorsystem angegebenen. Ein weiteres System, das in den Beispielen angegeben ist, betrifft die Einführung BCI3-CI2. Hier ist es zweckmässig, das vorherrschende Hauptätzmittel als atomares Chlor aufzufassen und die Rekombinationspartner-Spezies als von BCI3 abgeleitet, möglicherweise als BCh vorliegend, zu betrachten. Cl:BCh-Verhältnisbereiche liegen zwischen 0,1 und 5% und führen zu im wesentlichen idealem anisotropem Ätzen oder zu ansonsten für die meisten betroffenen Bedingungen gewünschtem anisotropem Ätzen.
Schliesslich sei bemerkt, dass die meisten Ausführungsformen des vorliegenden Verfahrens auf der Einführung identifizierbarer Rekombinationspartner und Hauptätzmittel beruhen. Im allgemeinen ist das Reaktionsmittel eine gasförmige Mischung und gestattet daher eine Änderung des Verhältnisses der beiden Reaktionspartnermaterialien. Diese Flexibilität ist von extremer Bedeutung dahingehend, dass sie ein Zuschneidern des Profils entweder auf im wesentlichen ideale Anisotropie oder eine andere gewünschte Steigung unter zahlreichen Bearbeitungsbedingungen ermöglicht. Die bedeutsamsten Bearbeitungsbedingungen sind, wie erwähnt, jene, die hinreichend hohen Druck und niedrige Leistung umfassen, um eine Wirkungsweise mit minimalen Effekten zu ermöglichen, die einer Impulsübertragung zuzuschreiben wären.
Nichts desto weniger trifft es zu, dass relativ unübliche Umstände erlauben können, dass erstens Reaktionsmittel-Rekombinationspartner-Spezies chemisch in einer einzigen Verbindung kombiniert sind, um zu einem fixierten Verhältnis zu führen, und zweitens, das Hauptätzmittel-Rekom-binationspartner-Spezies sogar einem einzigen Reaktionspartner-Vorläufer zuzuschreiben sind. Ersteres, für das CF3CI ein Hauptbeispiel ist, führt generell zu einem für die meisten Zwecke nicht akzeptablen Hinterschneidungsgrad, ist aber für grössere Merkmalsabstände tolerierbar. Einige Verbindungs-Reaktionspartner können von Haus aus für ein Verhältnis sorgen, das zu etwas idealerer Anisotropie führt. Von letzterem wurde gefunden, dass brauchbare Profile nur dann erreicht werden, wenn die Ätzgeschwindigkeit unter den üblicherweise bevorzugten Ätzbedingungen vergleichsweise niedrig ist. Diese letzte Beobachtung wird als von Haus aus gegeben betrachtet, da brauchbare Profile entsprechend den vorliegenden Lehren das Resultat eines Abwägens zwischen Ätzen und Rekombination sind.
4. Effektive Rekombinationspartner-Spezies
Eine ausgedehnte Versuchsreihe legt nahe, dass die Profilkontrolle die Folge einer Kombination folgender Faktoren sind.
a) Physikalischer Zustand der Resistrandoberfläche (oder allgemeiner der gesamten Randoberfläche einschliesslich des blossgelegten Materials, wenn die Ätzung fortschreitet),
b) chemische Natur der Randoberfläche und c) die Natur der wahrscheinlich durch das Plasma erzeugten Spezies, wenn diese in die Nähe der Wand eingeführt werden.
Die Anzahl wirksamer Rekombinationspartner-Spezies-Einheiten ist endlich; ein erklärbarer Schluss anhand der Sät5
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tigung oder nahezu Sättigung verfügbarer Reaktionsstellen auf dem Resistteil der Wandoberfläche. Eine Änderung der Oberflächenglätte führt zu der erwarteten Notwendigkeit einer entsprechenden Änderung in dem vorherrschenden Hauptätzmittel, was die Sättigungsannahme bestätigt.
Die grosse Disparität in der chemischen und physikalischen Natur der zahlreichen Resistmaterialien, die sich als wirksam für die Bereitstellung von Rekombinationsstellen erwiesen haben, führt zu der wiederum mit den bisherigen Ergebnissen verträglichen Schlussfolgerung, dass jede organische Zusammensetzung, die sich als ein Resist eignet, benutzt werden kann (jedes Polymer auf Kohlenwasserstoffbasis liefert eine Oberfläche für Rekombination, muss aber in der Plasmaumgebung vernünftig stabil sein, um als Resist dienen zu können). Durchgeführte Versuche umfassen Novo-lacs der verschiedensten Molekulargewichte und Zusammensetzungen und ebenso mit unterschiedlichen Vernetzungsgraden. Zahlreiche andere Resists - sowohl Negativ- als auch Positivresists - wurden als genauso wirksam befunden wie die zumeist benutzten Novolac-Positive. Änderungen in der Oberflächenglätte rührten u.a. von unterschiedlichem Ausheizen vor der Ätzung ebenso von unterschiedlichen Resist-definierenden Ätzmitteln her.
Andere Versuchsdaten stützen die konkurrierenden Rekombinations-Ätz-Reaktionen in der Nähe der Wand. Beispielsweise ermöglichen Rekombinationspartner-Spezies mit bedeutsamer Resist-Ätzaktivität wenig Profilkontrolle, obgleich sie zu von Hause aus zu kurzlebigen Ätzmittelspezies führen. Während es geeignet ist, den schliesslichen Rekombinationspartner als innerhalb des Plasmavolumens existierend aufzufassen, ist die Aktivität an der Wand mit den an jener Stelle initiierten Rekombinationspartner-Spezies verträglich. Aus Versuchsergebnissen ist es klar, und es ist in der Tat eine These, auf der das vorliegende Verfahren beruht, dass der Rekombinationspartner wenigstens anfänglich an der Resistoberfläche das Ätzprofil des zu ätzenden (nicht widerstandsfähigen) Materials beeinflusst. Eine Regel, die notwendigerweise die Ergebnisse des vorliegenden Verfahrens liefert, ist anhand des Resist-Rekombinationspartner-Paares definiert, vorausgesetzt nur, dass der Rekombinationspartner nicht vom anderen Oberflächenmaterial auf der Wand verbraucht wird. Demgemäss beeinträchtigt, während eine Profilkontrolle unabhängig von der Ätztiefe bei Silizium (für den nominellen CF3-Rekombinationspartner) beibehalten wird, eine Zwischenschicht aus SÌO2 die Profilkontrolle. Dieses ist mit dem bekannten Reaktionsvermögen von SÌO2 und CF3 verträglich.
5. Effektive Hauptätzmittel
Vereinfacht gesprochen beruht das vorliegende Verfahren auf einer Konkurrenz zwischen Ätzen und Rekombination. Das Hauptätzmittel ist nur anhand seines Anteils relativ zum Rekombinationspartner richtig zu würdigen, ein Parameter, der, wie erwähnt, innig mit einer Reihe Faktoren wie die Resistoberfläche verknüpft ist. Unter der Annahme, dass die Resistwandoberfläche im allgemeinen auf nahezu gesättigtem Wert gegenüber dem Rekombinationspartner ist, ist es vernünftig, den Rekombinationspartner-Pegel als fixiert zu betrachten und die wirksame Konzentration des Hauptätzmittels zu ändern. Im wesentlichen ideales anisotropes Ätzen definiert diesen Ausgleich höchst wünschenswert für hohe Schaltungsdichte. Abweichungen in Richtung zunehmenden Hauptätzmittels führen zu Hinterschneidung; Abweichungen in Richtung weniger Hauptätzmittel können zu negativem Hinterschneiden führen (je nach der Ätzmittelaktivität des Rekombinationspartners oder der anderen vorhandenen Spezies). Im Falle von Hauptätzmitteln, die eine nennenswerte Selektivität hinsichtlich des zu ätzenden Materials gegenüber dem darunter liegenden Material haben, kann im unerwünschten Ausmass auftretendes negatives Hinterschneiden durch ausreichend langes Ätzen nach Reinigung «korrigiert» werden.
6. Verfahrensbedingungen
Für den einschlägigen Fachmann ist das vorliegende Verfahren anhand der Beobachtung ausreichend ausgedrückt, dass eine Änderung des Hauptätzmittel/Rekombinations-partner-Verhältnisses zu einer Profilkontrolle führt. Das Ziel des Verfahrens ist erhöhte Anisotropie, die mit vernünftigen Ätzgeschwindigkeiten und anderen gewünschten Ätzbedingungen verträglich ist. Die genaue Spezifizierung für den Produktionsfall kann anhand von Versuchsläufen bestimmt werden, in denen die verschiedenen Parameter geändert werden.
Zu Erläuterungszwecken ist es zweckmässig, die Plasmaätzbedingungen kurz zu beschreiben, wie diese normalerweise bei Reaktorentwürfen derzeit benutzt werden. Aus zahlreichen Gründen haben sich Parallel-Platten-Reaktoren in der Industrie durchgesetzt. Fortgeschrittenere Entwürfe sichern Flussmuster, die zu einer vernünftigen Ätzgleichförmigkeit von Plättchen zu Plättchen führen. Siehe beispielsweise A.R. Reinberg «Etching for Pattern Definition» (H.G. Hughes and M.J. Rand, Eds.), The Electrochemical Society, Inc. Princeton, N.J., 1976; und R.G. Poulsen, J. Vac. Sei. Technol., 14,266, (1977). Parallel-Platten-Systeme umfassen Plattenpaare in einer geeigneten Vakuumkammer. Energie, üblicherweise im Hochfrequenzbereich (beispielsweise 13,56 mHz), wird der angesteuerten Platte zur Einleitung und Aufrechterhaltung einer Entladung zwischen den Platten zugeführt, wobei die nicht angesteuerte Platte normalerweise auf Erdpotential gelegt wird. Es hat sich gezeigt, dass «Plasmaätzen», wie es hier betroffen ist, verschiedene Verfahren, die üblicherweise anderweitig bezeichnet werden, umfassen kann. Das einzige Erfordernis für diese Zwecke ist die hauptsächliche Materialentfernung von der zu ätzenden Oberfläche durch chemische Reaktion, und nicht durch Impulsaustausch, mit vom Plasma erhaltenen aktiven Hauptätzmittel. Nomenclaturänderungen können beispielsweise entsprechend der relativen Grösse der Elektroden oder entsprechend der Anordnung der Plättchen (entweder auf der angesteuerten oder der nicht angesteuerten Elektrode) auftreten. Bei dem üblicherweise als das reaktive Ionenätzen bekannten Verfahren wird die angesteuerte Elektrode wesentlich kleiner als die Gegenelektrode gemacht und das zu ätzende Material wird auf der angesteuerten Elektrode angeordnet. Bei dem normalerweise als Plasmaätzung bezeichneten Verfahren sind die Elektroden stärker symmetrisch und wird das zu ätzende Material auf der nicht angesteuerten Elektrode angeordnet. Solche Apparaturänderungen, ebenso auch Änderungen der Bedingungen wie Energie, Druck usw., qualifizieren sich auch für das vorliegende Verfahren, vorausgesetzt, dass die Grundforderung, hauptsächliche Entfernung durch chemische Reaktion, erfüllt ist.
Der Steuerung unterliegende Parameter sind in diesen Reaktoren folgende: Ätzgaszusammensetzung, Druck, Ein-lass-Durchsatz, Leistung, Abstand zwischen den Elektroden und Substrattemperatur. Typische Bereiche für diese Parameter sind:
Druck: 1,33322 x 10"3-2,66644 Millibar;
Durchsatz: 10-500 SCCM (Standard cm3/min);
Leistung: 100-3000 Watt;
Elektrodenabstand: 5-50 mm;
Elektrodendurchmesser: 40,2 cm; Elektroden-Substrat-Temperatur: 25-250°C.
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Erwünschte Plasmaätzbedingungen, die als für den bevorzugten Anwendungsfall repräsentativ betrachtet werden, werden nun erörtert. Die Erörterung erfolgt generell anhand der derzeit verfügbaren Apparaturen. Es ist aber recht wahrscheinlich, dass verbesserte Apparaturen ihre erwarteten Wirkungen haben werden. Demgemäss ist die nachstehende Erörterung, während sie sich auf die derzeitige Praxis bezieht, nicht hierauf beschränkt, sondern umfasst auch künftige Weiterentwicklungen.
Bei den Reaktorentwürfen ist es wesentlich, dass das vorliegende Verfahren die gewünschten Profile bei Plasmadrücken in der Grössenordnung von 0,133322 Millibar bereitstellen kann. Dieses ist im Widerspruch zu vielen bekannten Verfahren, bei denen angenähert ideales anisotropes Ätzen nur bei niedrigerem Druck erhalten werden konnte. Dieser Druckwert ist die ungefähre Grenze zwischen viskosem Fluss (bei höheren Drücken) und nicht viskosem atomarem, ionischem oder molekularem Fluss bei niedrigeren Drücken. Viskoser Fluss bezeichnet den Zustand, unter dem Stösse innerhalb des Plasmas wahrscheinlicher sind als Stösse zwischen dem Plasma und einer festen Oberfläche. Er bezeichnet demgemäss für typische Plasmaleistungsdichten die Schwellenwertbedingung, unterhalb der wesentliche Strahlungsschäden auftreten können.
Plasmaleistungen von mehreren Watt pro cm3 sind verfügbar. Leistungen wesentlich oberhalb 1 Watt/cm3 verursachen Ungleichförmigkeitsprobleme, und die Plasmastabilität ist bei Drücken in der Grössenordnung von 1,33322 Millibar und darüber schwierig aufrechtzuerhalten.
Ein dritter Parameter, der mit den ersten beiden (Plasmadruck und Leistung) verknüpft ist, ist die Ätzgeschwindigkeit. Vom kommerziellen Standpunkt aus ist dieses ein bedeutsamer Faktor, der in manchen Fällen den Durchsatz bestimmt. Er ist auch bedeutsam dahingehend, dass niedrigere Ätzgeschwindigkeiten notwendigerweise längere Resist-Expositionen bedingen. Je nach der Dicke der zu ätzenden Schicht kann die Resist-Erosion, die normalerweise einen bedeutsamen Wert annimmt, der begrenzende Faktor werden. Für viele lithographische Verfahren überschreiten praktikable Resistdicken die zu definierende mittlere Dimension nicht stark. Es ist vernünftig, einen Mindestwert für die Ätzgeschwindigkeit bei 30 nm/min, vorzugsweise bei 50 nm pro Minute festzusetzen. Ätzmitteldiskrimination, wie diese zwischen üblichen zu ätzenden Materialien und den dauerhafteren polymeren Resists vorhanden ist, reicht im allgemeinen aus, einen wirksamen Bruchteil des Resists bei derartigen Ätzgeschwindigkeiten beizubehalten. Für relativ dicke zu ätzende Schichten - Schichten in der Grössenordnung um - geben die obigen Erwägungen Anlass zu einer Präferenz von Ätzgeschwindigkeiten, die wesentlich oberhalb 50 nm pro Minute liegen.
7. Beispiele
Die nachstehenden Beispiele sind in tabellarischer Form wiedergegeben. Das vorliegende Verfahren wird am besten anhand der Änderung des Verhältnisses von überwiegender als Hauptätzmittel bezeichnete wirksamer Spezies zu wirksamer Rekombinationspartner-Spezies beschrieben, demgemäss sind die in der Tabelle angeführten Beispiele alle in der-
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selben Apparatur unter im wesentlichen identischen Bedingungen durchgeführt worden, wobei lediglich das erwähnte Verhältnis variiert worden ist. Die Tabelle, die für auf Halogen beruhende Systeme beispielhaft ist, bezieht sich auf die Ätzung sog. «Polysiliziums» (= polykristallines Silizium, das im vorliegenden Fall mit Phosphor auf einen spezifischen Widerstand von 5 x 10-3 Ohm • cm dotiert war). Der Resist war in jedem Falle derselbe, und zwar ein chinondiazid-sensibili-sierter, positiv arbeitender Novolac. Die Resultate sind, wie angegeben, durch viele andere Systeme einschliesslich einer grossen Vielfalt anderer Resistsysteme bestätigt worden.
Das bei jedem der in der Tabelle angegebenen Beispiele benutzte System beruht auf der Einführung von C2F6-CI2. Es ist besonders brauchbar dahingehend, dass das Reaktionsmittel eine einfache, zweikomponentige Gasmischung ist, wobei die eine Komponente die effektive Rekombinations-partner-Spezies und die andere Komponente die wirksame Hauptätzmittel-Spezies liefert. Ähnliche Resultate können beispielsweise mit CFsCl + C2F6 erreicht werden, die Beziehung zwischen Reaktionsmittel und den wirksamen Spezies ist aber weniger direkt.
Die Reaktionspartnerbedingungen für jedes dieser Beispiele waren 400 Watt Plasmaleistung, 0,35 Torr (= 0,466627 Millibar), 30 mm Elektrodenabstand, 25°C Plattentemperatur (Temperatur der unteren, geerdeten Elektrode diente dabei als Unterlage für den zu ätzenden Gegenstand), 175 SCCM Durchsatz (Standard cm3 pro Minute - «standardisiert» bei 25°C).
Beispiel
%C12
Profil
Ätzgeschwindigkeit Selektivität* (nm/min)
0
anisotrop
2
1:5
2
7,5
anisotrop
53
5,9:1
3
10
anisotrop
60
6,7:1
4
12
anisotrop
76
8,4:1
5
13,8
anisotrop
80
8,9:1
6
19,4
hinterschnitten 124
13,8:1
7
25,9
isotrop
170
19:1
* Ätzgeschwindigkeitsverhältnis Polysilicium/Siliciumdioxid ** Beispiel 1 ist aufgenommen worden, um das extreme Rekombinationspartner/Ätzmittel-Verhältnis zu illustrieren. Das Beispiel stellt kein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens vom Standpunkt der Ätzgeschwindigkeit her dar - in diesem Falle hinsichtlich der Selektivität.
Zusätzlich zu den in der Tabelle angegebenen Beispielen sind weitere Versuche unter denselben Bedingungen aber mit noch höherem Chlorgehalt durchgeführt worden. Der Trend setzt sich fort, so dass die Ätzung bis 90% Ch isotrop war, wobei Ätzgeschwindigkeit und Selektivität sich je erhöhten.
Zahlreiche Versuche zeigten ähnliche Wirkungen auf andere Systeme. Beispielsweise führte eine Änderung der relativen Anteile von BCh und Cb zum selben allgemeinen Profil-Trend. Während ein bestimmtes Verhältnis zu ideal anisotropem Ätzen bei aluminiumreichen Legierungen führte, verursachte eine Erhöhung des Ch-Gehaltes ein Verhalten in Richtung isotropes Ätzen.
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Claims (21)

  1. 644405
    2
    PATENTANSPRÜCHE
    1. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, in dessen Verlauf eine Materialoberfläche des Gegenstandes in selektiven Bereichen zu ätzen ist und hierzu
    - mit einer darüberliegenden Bearbeitungsschicht versehen ist, die den Ätzbereichen entsprechende Öffnungen aufweist,
    - der Gegenstand in eine Plasmaumgebung innerhalb einer Apparatur verbracht wird,
    wobei
    - das Plasma von einem zwischen zwei Elektroden angelegten, eine Gasmischung durchsetzenden elektrischen Feld herrührt und durch die elektrische Leistung und den Gesamtdruck definiert ist, und
    - die Ätzung hauptsächlich als Folge einer chemischen Reaktion mit dem zu ätzenden Material auftritt und hinreichend selektiv ist, um eine gewünschte Dicke an der Materialoberfläche abzutragen, aber eine ausreichende Dicke der Bearbeitungsschicht zu belassen, so dass ein nennenswerter Ätzangriff der Oberfläche unterhalb den nicht mit Öffnungen versehenen Teilen der Bearbeitungsschicht verhindert ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    - zum Ermöglichen einer Kontrolle über die Ätzrichtung, die zwei gasförmige Reaktionspartner enthaltende Gasmischung dahingehend ausgewählt wird, dass
    - eine erste, als Hauptätzmittel bezeichnete, wirksame Spezies und eine zweite, als Rekombinationspartner bezeichnete, chemisch unterscheidbare und identifizierbare Spezies gebildet werden, wobei sich die Rekombinationspartner-Spezies mit der hauptsächlich als Ätzmittel wirkenden Spezies in der Nähe des Bearbeitungsschichtmaterials an den Öffnungen kombiniert und dadurch die seitliche Ätzgeschwindigkeit gegenüber der vertikalen Ätzgeschwindigkeit an den geätzt werdenden Oberflächen herabgesetzt wird,
    - dass der Druck hinreichend gross gewählt wird, um nennenswerte Strahlungsschäden an der Oberfläche des Gegenstandes zu verhindern, und dass das Verhältnis der beiden Spezies so gewählt wird, dass ein Ätzprofil resultiert, das von der Isotropie wenigstens in dem Ausmass divergiert, dass die Ätzgeschwindigkeit parallel zur Gegenstandsoberfläche um
    10% von der Ätzgeschwindigkeit senkrecht zur Gegenstandsoberfläche abweicht.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis so gewählt wird, dass die Ätzung im wesentlichen ideal anisotrop verläuft.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck wenigstens 0,1333 mbar gewählt wird und dass die Ätzgeschwindigkeit in der zur Oberfläche des Gegenstandes senkrechten Richtung wenigstens 30 nm pro Minute, vorzugsweise wenigstens 50 nm pro Minute, beträgt.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung höchstens 3 Watt/cm3, vorzugsweise höchstens 1 Watt/cm3 beträgt.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Gegenstandes die einer unterstützten Schicht ist und dass die Ätzung ausreichend lange fortgesetzt wird, um die Schicht zu durchdringen.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Bearbeitungsschicht eine organische polymere Materialschicht verwendet wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das organische polymere Material das im gewünschten Muster mit Öffnungen versehene Produkt eines gegenüber aktinischer Strahlung empfindlichen Resists ist.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer elementares Silizium enthaltenden Oberfläche des Gegenstandes gearbeitet wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer polykristallinen Oberfläche des Gegenstandes gearbeitet wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationspartner-Spezies einen Halogenkohlenstoff beinhaltet.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für den Halogenkohlenstoff ein Fluorkohlenstoff verwendet wird.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptätzmittel-Spezies von einem Halogen gebildet wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für das Halogen Chlor vorgesehen wird.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmischung ein Halogenid eines Fluorkohlenstoffs enthält.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Halogenid CF3CI ist.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gasmischung ein halogenhaltiger Reaktionspartner und ein chemisch unterscheidbarer Fluorkohlenstoff vorhanden sind.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Halogen enthaltende Reaktionspartner zweiatomiges Chlor ist.
  18. 18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluorkohlenstoff als C2F6 vorliegt.
  19. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Chlorgehalt, ausgedrückt als atomares Chlor, zwischen 5 und 15 Volumprozent, bezogen auf einen Gesamtatomgehalt von Cl und C, eingestellt wird.
  20. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Gegenstandes eine Schicht aus aluminiumreichem Material ist und dass die Gasmischung einen halogenhaltigen Reaktionspartner und ein chemisch unterscheidbares Borhalogenid enthält.
  21. 21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der halogenhaltige Reaktionspartner zweiatomiges Chlor ist und dass das Borhalogenid BCb ist.
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