DD208011A5

DD208011A5 - Trockenaetzverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DD208011A5
Application number: DD81235634A
Authority: DD
Inventors: Haruo Okano; Yasuhiro Horiike
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co; Horikawa Cho
Priority date: 1980-12-11
Filing date: 1981-12-10
Publication date: 1984-03-21
Also published as: EP0054201A2; EP0054201B1; DE3175576D1; US4492610A; EP0054201A3

Abstract

DIE ERFINDUNG BETRIFFT EIN TROCKENAETZVERFAHREN,BEI DEM STROM BZW. LEISTUNG ZWISCHEN EINE KATHODE UND EINE ANODE ANGELEGT, IN EINER REAKTIONSKAMMER EIN PLASMA AUS EINEM AETZMITTELGAS ERZEUGT UND EINE AUF DER KATHODE ANGEORDNETE PROBE BZW. EIN WERKSTUECK DURCH AUS DEM PLASMA AN DIE KATHODE ANGEZOGENE IONEN GEAETZT WIRD. DIE ERFINDUNGSGEMAESSE VERBESSERUNG BESTEHT DARIN, DASS EIN MAGNETFELD INDUZIERT WIRD, DESSEN FELDLINIEN SENKRECHT ZU EINEM ELEKTRISCHEN FELD AN DER OBERFLAECHE EINER ZU AETZENDEN PROBE BZW.EINES ZU AETZENDEN WERKSTUECK VERLAUFEN,U.DASS DIE STAERKE DES MAGNETFELDS AN DER OBERFLAECHE DER PROBE BZW. DES WERKSTUECKS AUF MINDESTENS 350 GAUSS GEHALTEN WIRD. AUSSERDEM BETRIFFT DIE ERFINDUNG EINE VORRICHTUNG ZUR DURCHFUEHRUNG DIESES VERFAHRENS.

Description

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. CMY-56P1162-3\

- Trockenätzverfahren und -vorrichtung

Anwendungsgebiet der Erfindung: '-,,. Die Erfindung betrifft ein Trockenätzverfahren, nach dem verschiedene Werkstoffe bei der Herstellung einer HaIbleitervorrichtung mittels eines Ätzmittelplasmas geätzt : werden können, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: '

Integrierte Halbleiterschaitungen werden mit'komplizier-· ten Schaltungsmustern hergestellt, deren Kompliziertheit bzw. Peinheitsgrad in jüngster Zeit weiter zugenommen hat. Beispielsweise werden bei der. Integration sehr hohen Grades (VLSI) Muster-Mindestabmessungen von 1 - 1 ,um angewandt. Für die Realisierung solcher Musterabmessungen ist. die .Anwendung der- Trockenätzung unter Verwendung eines Ätzmittelplasmas unabdingbar. Beim Trockenätzverfahren wird ein Ätzmittel, d.h. ein reaktionsfähiges Gas, in eine mit parallelen .Elektrodenplatten ausgestattete Reaktions-, kammer eingeleitet., An die Elektroden wird Leistung bzw.. Strom, beispielsweise Hochfrequenz(wechsel)strom oder Gleichstrom, angelegt, um ein Plasma mit Glühentladung . zu

Ci 9. *

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erzeugen. Im Plasma enthaltene positive Ionen werden durch eine Kathodenabfallspannung in. Richtung der Kathode beschleunigt, um eine auf der Kathode angeordnete Probe bzw. ein Werkstück zu besch ießen und dabei zu ätzen. Dieses Trockenätzverfahren wird auch als reaktives Ionenätzen bezeichnet.

Bei diesem bisherigen Trockenätzverfahren ist jedoch die

10. Ätzgeschwindigkeit niedrig, so daß der Ätzvorgang eine lange Zeit beansprucht. Beispielsweise beträgt die Ätzgeschwindigkeit im Fall von SiO₂ etwa 300 Ä/min (30 nm/ min) bei Verwendung eines Gasgemisches ausCF, und H-als Ätzmittel, so daß das Ätzen^;einer SiO„-Schicht mit 1 ,um Dicke etwa AO min dauert.. Die Ätzgeschwindigkeit im Fall von mit Phosphor dotiertem polykristallinen Silizium beträgt bei Verwendung eines CBrF -Gases als'Ätzmittel etwa 500 Ä/min (50 nm/min), so daß das Ätzen einer 4000 S (400 nm) dicken, mit Phosphor;dotierten polykristallinen Siliziumschicht etwa 8 min dauert. Weiterhin beträgt bei Verwendung eines. CCl ,-Gases als Ätzmittel die Ätzgeschwindigkeit bei Aluminium etwa 1000 S/min (100 nm/min), so daß das Ätzen einer 1 ,um dicken Aluminiumschicht mehr als zehn Minuten dauert. Diese niedrige Ätzgeschwindigkeit beruht im wesentlichen auf einer niedrigen, z..B.. in der Größenordnung von 3 - 5 % liegenden Ionisierungsleistung in der Glühentladung zwischen den parallelen Elektrodenplatten. : " . '.' .

Zur Erhöhung der Ätzgeschwindigkeit kann;beispielsweise die Hochfrequenzleistung: vergrößert werden, womit die Ätzgeschwindigkeit geringfügig erhöht werden kann. Eine Vergrößerung der Hochfrequenzleistung ist. jedoch mit den Nachteilen verbunden, da'ß ein großer Teil dieser Leistung in Wärme umgewandelt wird, eine Beeinträchtigung eines als Ätzmaske verwendeten Photoresist- bzw. Photolackfilms

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in Abhängigkeit von einer Erhöhung der Kathodenabfallspannüng o.dgl. auftritt und ein Siliziumsubstrat (dabei) elektrisch beschädigt werden kann. Im Hinblick auf diese Nachteile wird allgemein auf eine Erhöhung der Ätzgeschwindigkeit verzichtet; üblicherweise wird daher eine möglichst niedrige Hochfrequenzleistung angelegt. In jüngster Zeit wurde über eine mit hoher- Geschwindigkeit bzw. Leistung erfolgende Ätzung von; Si und Al-_O_ unter Verwendung einer Dreielektroden-Stromversorgungsvorrichtung mit einer Einrichtung, welche die Elektronen im Plasma selbst liefert, berichtet (J. Vac. Sei. Technol., 17(3), 731, N. Heiman.und Mitarbeiter, 1980). ,In diesem Fall wird jedoch ein Heizfaden benutzt, der ' durch das reaktionsfähige Gas korrodiert wird. Dieses

Verfahren kann (daher) im Dauerbetrieb über einen länge-, ... ren Zeitraum hinweg Schwierigkeiten auf wer fen. Zur Erhöhung der Dichte der Ätzquelle wurde.auch bereits- ein Verfahren ' zur Verwendung .'eines Laser-Geräts vorgeschlagen (J. E~lectrochem. Soc. 127, 514, J. I. Steinfeld und Mitarbeiter, 1980). Nach'diesem Verfahren kann die Dichte der Ätzquelle erhöht werden, so. daß eine hohe Ätzgeschwindigkeit erreicht wird. Die Ätzquelle mit vergrößerter Dichte besteht jedoch hauptsächlich aus.neutralen Resten

²^ bzw. Radikalen, und' da diese von der Kathode nicht angezogen werden, ist die Richtwi±kung der Bewegung unsicher. Hierbei kann ein seitliches Ätzen erfolgen,, weshalb die neutralen Reste bzw. Radikale nicht für hochentwickelte Muster mit Abmessungen von weniger als 1, ,um eingesetzt

werden. ; . . · ' .

Ziel der Erfindung: ·

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaf-· fung eines Trockenätzverfahrens, mit dessen Hilfe ein . Halbleitermaterial, wie Silizium, ein Isoliermaterial, wie SiO₇A und ein wärmebeständiges Metall, wie Aluminium, mit hoher Geschwindigkeit und ohne elektrische Beschädi-

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gung eines Substratmaterials ätzbar sind. Zudem bezweckt . die Erfindung die. Schaffung einer Vorrichtung . zur Durchführung dieses Verfahrens. ' -

Darlegung des Wesens der Erfindung: , ' ·' * .

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst..

Beim erfindungsgemäßen Trockenätzverfahren wird ein Magnetfeld induziert,,dessen magnetische Kraftlinien senk-

recht zum elektrischen Feld zwischen den Elektroden lie- : gen, wenn eine auf einer Kathode angeordnete Probe (Werkstück) mit einem Plasma eines Ätzmittelgases geätzt wird. - . . '· '-.

- ..'".

Die erfindungsgemäße Trockenätzvorrichtung umfaßt eine Reaktionskammer mit einer Anode und einer Kathode, eine Einrichtung zur Zufuhr von Strom oder Leistung zwischen _; die Elektroden zwecks Erzeugung eines Plasmas aus einem ;' 2.0 '.- in die Reaktionskammer eingeführten Ätzmittelgas und eine Einrichtung, zum Induzieren eines Magnetfelds, dessen magnetische Kraftlinien senkrecht zum elektrischen Feld zwischen den Elektroden liegen.

?'^ Bei diesem Trockenätzverfahren verlagern sich Elektronen im Plasma innerhalb eines Magnetfelds senkrecht zur Elektronenbewegungsrichtung, so daß die Elektronen mit dem Ätzmittelgas kollidieren. Hierdurch wird die Dissoziation bzw. Zersetzung des,Ätzmittelgases verstärkt. Infölgesssen erhöht sich die Dichte der Ätzquelle, und es wird eine hohe Ätzgeschwindigkeit erreicht»

AusführuDggbeiapiele: . .

Im folgenden sind bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher .erläutert. -

·„ · ..' " ·' . ^: · . '.' ' .

Es zeigen: . . _: ·

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Fig. 1 ' eine schematische Schnittansicht des Grundauf-•· baus einer Trockenätzvörrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung, ; . . ' ·' ' " Ζ-'' .

Fig. 2 eine· graphische Darstellung der Ätzkennlinien beim Ätzen von- SiO_? und Si mittels eines Gasgemisches aus CF ' und H nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, . .

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung

zwischen der Magnetfeldstärke auf einer Probenbzw. Werkstückoberfläche und der Ätzgeschwindig-. ^ . keit beim Ätzen von SiO. und Si mittels eines C-Fg-Gases nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,.

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwi- " - sehen der Ätzgeschwindigkeit, und der halben Strecke zwischen N- und S-Polen eines Magneten,

Fig.. 5 / eine graphische Darstellung der .Beziehung zwi-. . sehen der Hochfrequenz(strom)leistung.und der

Ätzgeschwindigkeit beim erfindungsgemäßen Ver- fahren, ·

. ' ' " ·· '.. '

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer Spannung und einem Ionenstrom bei Anlegung eines Gleichstroms beim erfindungsgemäßen Verfahren, ·

' . .'..' '' . ' '. ' . Fig. 7 eine schematische Aufsicht auf die Oberfläche

einer Si-Probe,: die in dem Zustand geätzt wird, in welchem ihre Lage relativ zu einem Magnet-

:' feld festgelegt ist,-' , . . , ' ' ' -. ' ' -

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Fig. 8 eine schematische Schnittansicht einer Trockenätzvorrichtung gemäß einer Ausführungsfonn der Erfindung, ' -

Fig. 9 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform einer Magnetfeldinduktionseinrichtung, , ,

Fig. 10 eine schematische Schnittansicht einer Trockenätzvorrichtung gemäß einer anderer}. Ausführungs

form der Erfindung, ,,

Fig. 11 eine Aufsicht auf eine Kathode und eine Magnetfeldinduktionseinrichtung bei der Trockenätz-' vorrichtung nach Fig. 10,

Fig. 12 eine graphische Darstellung der Beziehung " zwischen der Magnetfeldstärke auf der Probenbzw. Werkstückoberfläche, der Ätzgeschwindigkeit und'dem SiO„/Si-Selekt±icritätsverhältnis

beim Ätzen von SiO₂ und Si.mittels eines CHF Gases nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und

Fig. 13 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Magnetfeldstärke auf der Proben-

• . bzw. Werkstückoberfläche und der Hochfrequenzstromdichte·. . . .' -

Zur Beschreibung der Wirkung eines Magnetfelds beim Trokar) , . '

„ kenätzen wird auf eine in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung, in welcher eine zu ätzende Probe bzw. ein Werkstück relativ zu einem Magnetfeld festgelegt ist, Bezug genommen. Diese Vorrichtung weist eine Reaktionskammer auf, in welcher eine Kathode 1.einer Anode 2 gegenüberstehend angeordnet ist, wobei diese Elektroden 'durch ein Abstandsstück 3 gegeneinander isoliert sind. An die: Kathode 1 ist

mm "7 mm

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über einen Anpaßkreis 5 eine Hochfrequenz-Stromversorgung 4 angeschlossen, während die Anode normalerweise an Massepotential liegt. Im Zentrum der Kathode 1 ist ein magnetisches Material, z.B. ein Weicheisen-Polstück 6 angeordnet, das einen kastenförmigen Aufbau besitzt und eine Entladungsstrecke bzw.. einen Luftspalt 7 aufweist, .die bzw. der in Form-von geschlossenen, rechteckigen oder kreisförmigen Schleifen/ auf der Oberseite des Polstücks gebildet wird. Ein Magnet, z.B. ein Dauermagnet 8 aus Kobalt-Samarium, ist im Inneren des Polstücks 6 in dessen Zentrum so angeordnet, daß der Dauermagnet 8 einenvon der Entladungsstrecke (Luftspalt) 7 umschlossenen Teil des Polstücks 6 trägt. Wenn die Oberseite des Daue'r-

¹S magneten 8 den N-PoI (Nordpol) . und seine Unterseite den S-PoI (Südpol) bilden, werden längs der Entladungsstrecke (Luftspalt) 7 des Poistücks 6 bogenförmige Magnetkraft-' linien erzeugt. Infolgedessen wird ein Magnetfeld induziert, das senkrecht zur Richtung E eines elektrischen

2Q' , Felds verlaufende Feldlinien B aufweist. Die Kathode 1 ist durch eine Wasserkühleinrichtung 16:kühlbar.

Wenn mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 1 eine Probe bzw. ein Werkstück geätzt werden soll, wird ein aus einem ^° nicht-magnetischen Werkstoff,wie Kohlenstoff oder Aluminiumoxid^ bestehender Werkstück-Träger 9 auf das Polstück 6 aufgelegt. Auf dem Träger 9 wird eine Probe bzw. , ein Werkstück 10 angeordnet. Das Innere der Reaktions- .

kammer wird durch öffnen eines Vakuumverschlußventils

,. 11 evakuiert, worauf ein Ätzmittelgas über einen-Gaseinlaß 12 eingeführt, wird. An die Kathode 1 wird ein -\ Hochfrequenzstrom angelegt. Infolgedessen wird zwischen den Elektroden eine Glühentladung erzeugt, so daß aus dem Ätzmittelgas ein Plasma entsteht. An der Kathode 1 ..:.' ' wird dabei eine Kathodenabfallspannung (automatische

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Gittervorspannung mit negativem Strom) induziert. Unter diesen Bedingungen wird in der Nähe der Entladungsstrecke 7 ein senkrecht zum elektrischen Feld liegendes Magnet-

.5 feld induziert. Infolgedessen verlagern sich in der.

Nähe dieses Felds befindliche Elektronen in der Richtung IE χ 1B, so daß die Elektronen im Bereich 13 nahe der Entladungsstrecke 7 in einer spiraligen bzw. wendeiförmigen Wanderb.ahn eingefangen werden. Die lonisierleistung des Ätzmittelgases im Bereich 13. über der Eijtladungsstrecke 7 ist dabei im Vergleich zum umgebenden Raum 14 stark erhöht. Erfindungsgemäß wurde die Dicke eines Kathoden-Dunkelraums 15 über der Kathode für den Fall^N untersucht, daß ein Magnetfeld induziert oder nicht

¹^ induziert wurde. Bei induziertem Magnetfeld war die .

'. Dicke des- Kathoden-Dunkelraums 15 so gering, daß dieser Dunkelraum nicht feststellbar war. Wenn im Bereich der Entladungsstrecke 7 ein senkrecht zum elektrischen Feld gerichtetes Magnetfeld vorhanden war, erwies sich die Plasmadichte als besonders hoch. Im Vergleich, zur üblichen automatischen Gittervorspannung mit Gleichspannung erfordert somit die erfindungsgemäße Vorrichtung für eine hohe Plasmadichte eine niedrige Leistung. Dieses Arbeitsprinzip ist die Grundlage für das erfindungsgemaß angestrebte Ätzen mit hoher Geschwindigkeit. Bei 'einem Versuch, bei dem Siliciumdioxid (SiO-) mit z.B. Freongas (CF.') als Ätzmittel bearbeitet wurde, konnte eine hohe Ätzgeschwindigkeit erzielt werden; die Ätzgeschwindigkeit betrug hierbei etwa 1 ,um/min bei .einer

- · '

SiO„-Schicht auf einem Si-Substrat unter einem CF -Druck von 0,04 Torr und einer HochfrequenzStromleistung von etwa 250 W (Stromdichte 0,2.-- 0,25 W/cm : dieser Wert , wird bei einer bisherigen Vorrichtung ohne' induziertes , Magnetfeld bevorzugt). Außerdem war dabei die Beschädigung des Si-Substrats minimal. Beim Ätzen der SiO_-Schicht nach Ausbildung eines Photoläckmusters. auf dieser wurde

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anschließend das Ätzpro.fil der SiO -Schicht unter einem Elektronenmikroskop untersucht- Hierbei wurde belegt, daß ein anisotropes Ätzen stattgefunden,hatte, weil die geätzte SiO -Schicht eine lotrecht geätzte Wand bzw. Flanke aufwies. '.' . . -

Fig. 2, veranschaulicht-Ätzkennlinien von SiO. und Si für ein bisheriges Verfahren ohne Anwendung eines Magnetfelds sowie für ein Verfahren gemäß der Erfindung. In.diesem Fall wurde ein Gasgemisch aus C-F_c und H-, verwendet, in welchem die H -Konzentration variiert wurde. In Fig. 2 stehen die ausgezogenen Linien für die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichte Ätzgeschwindigkeit von Si und

IB , SiO₉, während die gestrichelten Linien die Ätzgeschwindigkeit für Si und SiO„ beim bisherigen Verfahren angeben. Mit Ausnahme des Ätzmittelgases wurden hierbei dieselben Ätzbedingungen wie "beim vorstehend beschriebenen Ver- - such eingehalten. Wie sich aus Fig. 2 ergibt, ist die

•20 Ätzgeschwindigke,it beim erfindungsgemäßen Verfahren mehr als 10-mal so groß_;wie^; beim bisherigen Verfahren. Bei einer H_-Konzentration von etwa 70 % betrug das Selek- " tionsverhältnis von SiO₇ zu Si. mehr als das ^0-fache desjenigen beim bisherigen Verfahren, so daß demzufolge eine gute Selektivität erzielt wurde. ,

Wie sich aus Fig. 3 ergibt, wurde erfindungsgemäß eine Erscheinung bzw. eine Beziehung zwischen den Ätzgeschwindigkeiten von SiO- und Si einerseits und der Magnetfeldstärke an der Oberfläche des zu ätzenden Werkstücks andererseits festgestellt. Der Ätzvor-gang wurde mit. einem C-,F--Gasdruck von 0,04 Torr und einer Hochfrequenz-

Stromleistung von 250 W (0,2 bis 0,25 W/cm ) durchgeführt. · Oer_: aus Kohlenstoff bestehende Werkstück-Träger; 9 wurde ^JO auf das Polstück 6 gemäß Fig. 1 aufgelegt, und das Magnetfeld über die Entladungsstrecke. 7 an der Oberseite

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des Trägers 9 wurde mit einem Hall-Meßfühler gemessen. • Die gemessene Magnetfeldstärke ist in Fig. 3 auf der Abszisse aufgetragen. Die Magnetfeldstärke wurde ent-. sprechend der Dicke des Werkstück-Trägers 9 geändert. Die Dicke des jeweiligen Trägers 9 ist in Fig. 3 angegeben. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, erhöhten sich die Ätz-

geschwiodigkeiten .für SiO- und Si mit einer Vergrößerung der Magnetfeldstärke; die Zunahme der Ätzgeschwindigkeit· für SiO„ war dabei mit einer Vergrößerung der Magnetfeld- stärke größer als die Zunahme der Ätzgeschwindigkeit für Si. Das Ätzgeschwindigkeitsverhältnis zwischen SiO- und Si erhöht sich also mit einer Vergrößerung der Magnetfeldstärke. Zur Gewährleistung eines selektiven Ätzens '

!5 von SiO₉ gegenüber Si mußte die Magnetfeldstärke in der Nähe bzw. im Bereich der Entladungsstrecke 7 mehr als etwa 350 Gauss betragen. Wenn das zu ätzende Werkstück unmittelbar auf das Polstück aufgelegt wurde (h = 0) , konnte ein Ätzen von Si mit äußerst hoher Geschwindigkeit in der Größenordnung von 3 ,um/min erzielt werden. Das

. Verhältnis der Ätzgeschwindigkeit für SiO- zu derjenigen .. für Si (selektives. Ätzverhältnis SiO-/Si) betrug etwa 5 bis 6. Dieser Wert, ist etwa doppelt so groß wie beim bisherigen Verfahren zum Ätzen von SiO₉ und Si mit

C-F -Gas.

2. b , >..·

Fig. 4 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Ätzgeschwindigkeit und dem Abstand vom Zentrum 'der Entladungsstrecke 7 in waagerechter Richtung gemäß Fig. 1. Der Ätzvorgang wurde unter einem. C-F--Gasdruck von 0,04 Torr und bei Hochfrequenzstromleistüngen von 25OW (0,2 bis

2 ^: 2

0,25 W/cm ) und.80 W (0,06 bis 0,08 W/cm.) sowie mit einer

Dicke des: Werkstück-Trägers 9 von 2 mm durchgeführt. Bei einer Hochfrequenzströmleistung von 250 W verringerten ^v .. sich die Ätzgeschwindigkeiten oder -grade für SiO- und Si

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mit zunehmendem Abstand vom Zentrum der Ätz-Entladungsstrecke 7. Bei einer HochfrequenzStromleistung von 80 W trat eine Erscheinung auf, bei welcher die Ätzgeschwindigkeit im Zentrum der Entladungsstrecke 7 äußerst gering war. Diese Erscheinung kann durch Ablagerung bzw. Ausfällung hervorgerufen sein.

Gemäß Fig. 5 wurde-der Ätzvorgang unter denselben Ätzbedingungen wie in Fig. 4 durchgeführt, wobei die Ätz- " ' geschwindigkeit'bzw. -größe unter Änderung der Hochfre-' quenzleistung,gemessen wurde. Die Leistung von 250 W ent-

¹ ' 2 spricht - in diesem Fall einer Stromdichte von 0,2 W/cm .

Wie aus Fig. .5 hervorgeht, steigt die Ätzgeschwindigkeit für SiO₂ .bei einer Leistung von mehr als etwa 100 W stark an, wobei das selektive Ätzverhältnis der Ätzgeschwindigkeit für SiO- zu derjenigen für Si besonders groß wird. Beim Ätzen mit einer Hochfrequenzleistung von 200 bis · 400 W gemäß Fig. 5 ändert sich die Käthodenabfallspannung nicht mit einer Erhöhung der Hochfrequenzleistung.

In diesem Fall wurde die Beziehung zwischen der Kathodenabfallspannung und einem Ionenstrom in der Weise dargestellt, daß die Kathodenabfallspannung auf der Abszisse, und der Ionenstrom, auf der Ordinate aufgetragen wurden.

es konnte eine Magnetron-Betriebsart oder -Arbeitsweise beobachtet werden, bei welcher der Ionenstrom mit einer Änderung der Kathodenabfallspannung plötzlich ansteigt. Diese Erscheinung zeigt, daß Ionen in großen Mengen erzeugt werden. Dieselbe Erscheinung (Magnetron-Arbeitsweise) war gemäß Fig. 6 auch im. Fall eines Gleichstroms feststellbar.' In diesem Fall wurde die Kathode an Masse gelegt, und die dem Polstück gegenüberstehende Anodenplatte innerhalb der Reaktionskammer wurde an Spannung'gelegt. Nachdem eine Probe bzw..ein Werkstück unmittelbar auf das Polstück aufgelegt worden war, wurde C~F,-Gas zugeführt. Die Magnetron-Betriebsart- wurde ein-

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geleitet, wenn der C,Fg-Gasdruck 2 x. 10~ Torr (a) oder 7 χ 10 Torr (b) betrug,.während, sie bei einem Gasdruck

_4 von 3 χ 10 Torr (c) nicht auftrat.

Fig. 7 ,ist eine Aufsicht auf die Oberseite einer Probe bzw. eines Werkstücks beim Ätzen von Si mit einer H-Konzentration von 7o %, bei welcher das anhand von Fig. beschriebene Selektions- bzw. Selektivitätsverhältnis von SiO- zu Si sehr groß wird. Bei dem in Fig..2 dargestellten Beispiel wurde ein organisches Material vom Polytetraflüoräthylentyp mit C-F-Bindung auf die gesamte Oberfläche eines Plättchens eines Si-Werkstücks aufgetragen, das'nach dem herkömmlichen Verfahren mit einer H.-Konzentratiön von mehr als 60 % geätzt wurde. Bei dem in Fig. veranschaulichten Verfahren gemäß der Erfindung wurde .ein solches organisches Material nicht auf die etwa 1 cm breiten Flächen 7-a zu beiden Seiten der Entladungsstrecke 7· aufgetragen. Die außerhalb der Flächen-7-a liegenden' Flächen 7-b waren dagegen mit einem Film bzw. einer Schicht eines solchen, das Ätzen verhindernden organischen Materials versehen,- Hierbei zeigte es sich, daß über der Entladungsstrecke 7 und über den Flächen 7-a Plasmabereiche hoher Plasmadichte vorhanden waren.

Die Vorrichtung, bei welcher die Probe bzw. das Werk-' : stück gemäß Fig. 1 relativ zum Magneten festgelegt ist, ist für das gleichmäßige Ätzen der Gesamtoberfläche des .Werkstücks nicht geeignet. Wenn dagegen eine senkrecht zum elektrischen Feld verlaufende Magnetfeldlinie durch Verkleinerung des Abstands zwischen den Entladungsstrecken 7 im gesamten Bereich zwischen den Entladungsstrecken 7 auf mehr als 350 Gauss eingestellt wird, kann ein gleichmäßiges Ätzen auch dann erzielt werden, wenn die Relativ-Positionen von Werkstück und: Magnet festgelegt, sind, d.h. wemvsich die_: Flächen 7-a gemäß Fig. 7 überlappen.

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Die Fig. 8 bis 11 veranschaulichen eine Vorrichtung, mit welcher ein gleichmäßiges. Ätzen durch Änderung der ReIativstelluhgen zwischen dem zu ätzenden Werkstück und dem Magneten durchführbar ist. Gemäß Fig. 8 sind mehrere Dauermagnete 28a, 28b und 28c in aus magnetischem Werkstoff . bestehenden Polstücken .2Sa, 26b bzw. 26c angeordnet. Die Polstücke 26a bis 26p sind in einem kastenförmigen Behälter bzw. Gehäuse 41 angeordnet, der bzw. das so mit einem Motor 40 verbunden ist, daß 'das Gehäuse 41 mittels des Motors 40 geradlinig hin- und herbewegt wer-.· den kann. Eine aus ,nicht-magnetischem Werkstoff, bestehende Kathode 21 ist in einem Abstand^ von den Magneten und den,Polstücken angeordnet. Der die Magnete^28a bis 28c· überspannende Unterteil der Kathode 21 ist von einer

Dunkelraumabschirmung 42 zur Verhinderung einer Entladung unter die Kathode 21 umschlossen. Eine Belüftungsöffnung 43 in der Dunkelraumabschirmung 42 dient zur Belüftung bzw.'Entlüftung des die Dauermagnete 28a bis 28c aufnehmenden Raums unterhalb der Kathode 21. Die eine Wasserkühleinrichtung 36 für die Kathode ,21 und eine Hochfrequenz-Stromversorgung 24 aufweisende Vorrichtung gemäß,, Fig. 8 entspricht mit Ausnahme der angegebenen Unterschiede der Vorrichtung nach Fig. 1. Bei der ,25 Vorrichtung gemäß Fig. 8 kann die Oberfläche einer Probe bzw. eines Werkstücks 30 während des Ätzvorgangs durch Magnetfelder abgetastet werden, die durch die Dauer- , ': magnete 28 an den Entladungsstrecken 27 der Polstücke ; 26' induziert werden, so daß-sich,ein gleichmäßiges Ätzen ^:

mit hoher Geschwindigkeit erzielen , läßt. Bei dieser Kon-

.' struktion erfolgt das Ätzen vorzugsweise bei Verkleinerung des Abstands zwischen den Entladungsstrecken und mit Überlappung der Magnetfelder. ' .

Fig. 9 veranschaulicht eine andere Äusführungsform der Magnetfeld-Induktionseinrichtung,, bei welcher eine Ent-

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ladungsstrecke (Luftspalt) 51 in Form, einer geschlossenen Schleife an einem Polstück: 50 ausgebildet ist- Unter einen Teil 52 des. Polstücks· 50 ist ein Dauermagnet 53 eingesetzt., welcher dieselbe Form¹ besitzt wie der Teil 52 des PoI- ; ,' Stücks 50 und welcher von der Entladungs-strecke 51 umschlossen ist. Mit dieser Magnetfeld-Induktionseinrichtung können mehrere querverlaufende, möglichst dicht benachbarte Entladungsstrecken '(Luftspalte) ausgebildet werden, so daß ohne weiteres einander überlappende

Magnetfelder induziert werden können.

Fig. 10 und 11 veranschaulichen noch eine andere . Ausführungsform der Trockenätzvorrichtung, bei welcher ein zu ätzendes Werkstück über den Entladungsstrecken in Drehung versetzt wird. Dabei is£ eine scheibenförmige Kathode 61 in der eine Anode 60 aufweisenden Reaktionskammer drehbar angeordnet. Unter der Kathode. 61 sind ein sternförmiger Dauermagnet 63, dessen N-PoI nach ,oben"

20. ' weist, und ein den Dauermagneten 63 umschließender Dauermagnet 64 mit nach oben weisendem S-PoI angeordnet. Zwischen den Dauermagneten 63 und 64 ist eine Ent ladung s-. . strecke (Luftspalt) .65 in Form einer geschlossenen Schleife vorgesehen. An den Seitenflächen von Kathode;..61 und Dauermagneten 63 und 64 ist eine Dunkelraumabschirmung ^Λ ,66 angeordnet. Die zu ätzenden Proben bzw.''Werkstücke 67 werden auf die -Kathode-61 aufgelegt und sodann geätzt, indem die Kathode 61 durch einen Motor 62/in ' Drehung versetzt und Kochfrequenzleistung zugeführt wird, um aus einem über den Einlaß zugeführten Ätzmittelgas ein Plasma zu erzeugen. Da sich alle Teile, der Werkstücke 67 bei der Drehung über die Entladungsstrecke 65 hinwegbewegen, wird ein gleichmäßiges Ätzen gewährleistet.

Die" Einflüsse der Magnetfeldstärke und der Stromdichte der Hochfrequenzleistung auf den¹Ätzvorgang sind im

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folgenden anhand von Fig. 12 und ,13 erläutert. Mit ,der Vorrichtung gemäß Fig. 8.wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem SiO„-und Si-Proben bzw. -Werkstücke unter Verwendung von CHF, mit einem Druck von 0,05 Torr geätzt wurden.\ . .\

Die Ätzergebnisse sind in Fig. 12 veranschaulicht, gemäß welcher der Ätzvorgang mit einer Stromdichte von

rhes

1,6 W/cm erfolgte; dieser Wert liegt um ejn Mehrfaches höher als die bevorzugte Stromdichte von 0,2 bis 0,5 W/cm beim herkömmlichen Trockenätzen ohne Anwendung eines Magnetfeldes. Wie aus Fig. 12 hervorgeht, steigt die Ätzgeschwindigkeit (Kurve a) für SiO- zunächst steil an,

I^ um sich dann mit einer Erhöhung der Magnetfeldstärke mit einem"konstanten Gradienten zu erhöhen. Gleichzeitig fällt die Kathodenabfallspannung (Kurve b) mit einer Vergrößerung der Magnetfeldstärke steil ab. Diese Erscheinung^ hängt von einer. Verkleinerung des Radius der

2P spiraligen Elektronenbahn,ab, so daß eine Ionisierung dicht an der Oberfläche der Kathode stattfindet. Die' Ansammlungsgröße oder -geschwindigkeit von Ionen in der-· Kathode steigt.somit entsprechend der Vergrößerung der Magnetfeldstärke an, wobei Räume mit sehr hoher Plasma-.

^ dichte ,teilweise in der Nähe der Entladungsstrecke (Luft-'spalt) entstehen. Hierdurch wird' auch aufgezeigt, daß . eine Beschädigung des Substrats in Abhängigkeit von der Vergrößerung der Magnetfeldstärke allmählich.bzw. zu-' -nehmend herabgesetzt wird. Andererseits nimmt die Ätzgeschwindigkeit (Kurve c) für Si linear zu, so daß das selektive SiO /Si-Ätzverhältnis (Kurve d) in.der Nähe des Punkts am größten ist, bei'welchem sich die Ätz— ' geschwindigkeit (Kurve a) für SiO- zu ändern beginnt.

Wie sich aus Fig. 12 ergibt, ist eine Vergrößerung der Ätzgeschwindigkeit für SxO₂ durch Magnetron-Entladung \

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bei einer Hochfrequenzleistung, von 1,6 W/cm im Fall einer Magnetfeldstärke von mehr als 5Ό Gauss festzustellen. Die der Magnetfeldstärke von .50 Gauss entspre-. chende Kathodenabfallspannung beträgt etwa 1000 V, so daß die.~du.rch Ionen hervorgerufene Beschädigung vergleichsweise gering ist und vernachlässigt werden kann. Bei einer Magnetfeldstärke von 50 Gauss beträgt das Verhältnis der Ätzgeschwindigkeiten für SiO_ und Si mehr als .10 : 1, so daß in diesem Fall nur SiO„ selektiv geätzt wird. Der in Verbindung mit Fig. 12 beschriebene Versuch wurde unter folgenden Ätzbedingungen durchgeführt:

Stromdichte der Hochfrequenzleistung =0,4 W/cm.,

2 2

0,2.W/cm und 0,1 W/cm., und Magnetfeldstärke zur Durchführung des Hochgeschwindigkeitsätzens von SiO„ ander Oberfläche der Probe bzw. des' Werkstücks = mehr als 200 Gaus, 600 Gauss bzw. 1000 Gauss.

Fig.13 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Hochfrequenz-Stromdichte und.der Magnetfeldstärke an der Oberfläche der Probe bzw. des Werkstücks. Die gestrichelte . Linie wurde durch Verbindung der Koordinatenpunkte entsprechend den Versuchsergebnissen erzielt. Eine höhere Dichte des Plasmas wurde beim Ätzen unter den für den schraffierten Teil der Kurve gemäß Fig. 13 angegebenen Bedingungen erreicht, wobei mit hoher Geschwindigkeit geätzt werden konnte. Wenn.der Ätzvorgang, unter den durch den schraffierten Teil der Kurve bestimmten Bedingungen durchgeführt wird, können eine Beschädigung des SQ Si-Substrats durch Ionen auf ein Mindestmaß verringert und ein selektives Ätzen wirksam durchgeführt werden.

Während vorstehend hauptsächlich das Ätzen vOn SiQ- und Si beschrieben ist, ist das erfindungsgemäße Verfahren gleichermaßen auf polykristallines Silizium, Aluminium oder eine Aluminiumlegierung oder ein Silizid, wie Molyb-

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dänsilizid, anwendbar.

In Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Ausführungs-. - form wurde als Ätzmittelgas für das erfindungsgemäße Verfahren ein fluorhaltiges Gas, wie CF., genannt. Es können jedoch auch andere reaktionsfähige Gase, die Chlor oder ⁽ Brom enthalten, verwendet werden. Beispielsweise lassen sich für' Aluminium, eine Aluminiumlegierung o.dgl. gasig förmiges CCl₄ und CCl₄ + Cl₉ verwenden, während für polykristallines Silizium, Molybdänsilizid o.dgl. gasförmiges ί CBrF_, CBrF + Cl und Cl- eingesetzt werden kann. Auf diese .Weise läßt sich mit verschiedenen anderen Werkstoffen der Atzvorgang ebenso wie im Fall von SiO- mit· hoher Ätzgeschwindigkeit und guter Selektivität, durchführen. Bei der beschriebenen Ausführungsform -der "Erfindung wird die. Probe bzw. das Werkstück zusammen mit der Kathode und'dem Dauermagneten gekühlt. Neben einer Kühlung mit Wasser oder Alkohol kann jedoch weiterhin mit -verflüssigtem Gas,.wie -Freon gekühlt werden, um ein Erweichen bzw. Verdampfen der Photolackschicht beim Hoch- geschwindigkeitsätzen zu verhindern. ,

Anstelle des Dauermagneten kann auch ein Elektromagnet verwendet werden. .

..Zusammenfassend läßt sich also sagen,' daß beim Verfahren und-bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung ein Magnet mit einer Entladungsstrecke bzw. einem Luftspalt 'in Form . einer-geschlossenen Schleife an oder unter einer Kathode angeordnet ist, wobei Elektronen unter dem Einfluß von Magnetfeldern und elektrischen-Feldern, die senkrecht zueinander stehen und durch den Magneten bzw. die Kathode, induziert werden, eine Magnetron-Bewegung ausführen. Auf diese Weise wird die Entladungsleistung bzw. -Wirksamkeit erhöht, so daß ein auf der Kathode oder dem

-18-

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Magneten angeordnetes Material (Werkstück) unter beträchtlicher Erhöhung der;Produktionsleistung mit hoher Geschwindigkeit geätzt werden kann. Das erfiridungsgemäße Trockenätzverfahren wird für die Ausbildung von Kontaktlöchern sowie Mustern für Elektroden und Verdrahtungen bzw. Leiterzüge bei Halbleitervorrichtungen, wie MOS-Vorrichtungeri und bipolaren Vorrichtungen, eingesetzt. ',.'.. :

Claims

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Erf in dung sans prucii

.1 . Trockenätzverfahren, bei dem Strom bzw. Leistung zwischen eine Kathode und eine Anode angelegt, in einer Reaktionskammer ein Plasma aus einem Ätzmittelgas erzeugt und eine auf der Kathode angeordnete Probe bzw. - ein Werkstück durch aus dem Plasma an die Kathode an-. gezogene Ionen geätzt wird, dadurch. gekennzeichnet, daß ein Magnetfeld induziert wird, dessen Feldlinien senkrecht zu einem elektrischen Feld an der Oberfläche einer zu ätzenden Probe bzw. eines zu ätzenden Werk-. Stücks verlaufen, und daß die Stärke des Magnetfelds' ' an der Oberfläche der.Probe bzw. des Werkstücks auf mindestens 350 Gauss gehalten wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet,' daß durch die senkrecht zueinander angeordneten mag- _: netischen und elektrischen Felder eine Magnetron-· . Betriebsart' bzw. -Wirkung erzeugt wird. ,. .." ·. , ·

"^J ' '' . ' .' ·

3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, ' daß das Magnetfeld durch einen Dauermagneten oder einen Elektromagneten induziert wird und daß das zu ätzende Werkstück während des Ätzvorgangs relativ zum Magneten bewegt wird.

,4. Verfahren nach 'Punkt 1, dadurch' gekennzeichnet,, daß an der Oberfläche der Kathode mehrere einander überlappende Bereiche hoher Plasmadichte -erzeugt wer- ^: ' 'den. ' · · ' - '· ". -

³^ 5. Trockenätzverfahren, bei dem Strom bzw. Leistung zwischen eine Kathode und eine Anode angelegt, in einer

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Reaktionskammer ein Plasma aus einem Ätzmittelgas erzeugt und eine auf der.Kathode angeordnete Probe bzw. ein Werkstück durch aus dem Plasma an die Kathode angezogene Ionen geätzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetfeld induziert wird, dessen Feldlinien senkrecht zu einem elektrischen Feld an /der Oberflä- . ehe einer zu ätzenden Probe bzw. eines zu ätzenden Werkstücks verlaufen, und daß das Ätzen unter Bedingungen .durchgeführt wird, die durch eine ,.Fläche innerhalb einer Kurve bestimmt werden, die ihrerseits durch Verbindung von Koordinatenpunkten X = 50 Gauss und

Y= 1,6 W/cm², X =200 Gauss und Y = 0,4 W/cm²,

2 -^: X = 600 Gauss und Y = 0,2 W/cm sowie X =.. 1000 Gauss ,und Y = 0,1 W/cm , mit X = Magnetfeldstärke an der Oberfläche der Probe bzw/ des. Werkstücks und Y = Hochfrequenz (strom) leistung, erhalten wird. .
6. Verfahren nach Paukt 5, dadurch, gekennzeichnet, daß durch die senkrecht zueinander angeordneten mag- < netischen und elektrischen Felder eine Magnetron-Betriebsart bzw.; -Wirkung erzeugt wird. .. · .

7. Verfahren nach Punkt, 5, dadurch gekennzeichnet, ί daß das Magnetfeld durch einen, Dauermagneten oder einen Elektromagneten induziert wird und daß das zu ätzende Werkstück während des Ätzvorgangs relativ zum Magneten bewegt wird. ,

" ^: ' "
8. Verfahren nach Punkt 5, dadurch- gekennzeichnet,

daß an der Oberfläche der.Kathode mehrere einander, überlappende Bereiche hoher P.lasmadichte erzeugt werden. '; '".. " '. ' . ' , . .
9. Trockenätzvorrichtung mit einer eine Anode und eine Kathode enthältenden Reaktionskammer, einer Einrich-

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tung zur Einführung eines Ätzmittelgases in die Reak-... tionskammer und einer Einrichtung zur Zufuhr (Anlegung) von Strom bzw. Leistung zwischen Anode und , - / Kathode in der ,Weise, daß eine auf der Kathode angeordnete Probe bzw. ein Werkstück ätzbar ist, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (z.B. 28) zur [' .Erzeugung eines Magnetfelds mit senkrecht zu einem

elektrischen Feld liegenden Feldlinien und durch eine J-O Einrichtung (z.B. 40) zur Änderung der Re.lativstel-

• lungen zwischen der Probe bzw. dem Werkstück (z.B. 30) und. der Einrichtung (z.B. 28) zum Induzieren des Magrietfelds .

1,5 ,10. Vorrichtung nach Punk"t 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung . (z.B. 28) zum Induzieren des Magnetfelds^v eine Entladungsstrecke (Luftspalt) (z.B. 27) in Form einer geschlossenen Schleife aufweist, daß ein Innenteil und ein Außenteil der Entladungsstrecke entgegengesetzte Magnetpole sind, und daß zwischen Innen- und Außenteil ein Magnetfeld induzierbar ist. '.
11. Vorrichtung nach Punk"b 10, dadurch gekennzeichnet, daß .ein.'.Magnet-.(z-.B. ..28) in einem Polstück (z.B. 26) aus magnetischem Material angeordnet ist und daß die Entladungsstrecke (Luftspalt) (z.B. 27) in der (Ober-) Fläche des Polstücks gebildet ist.
12. .Vorrichtung nach. ;. Punkt 1.0, dadurch gekennzeichnet,

on . . ' ..·..

daß zwei Magnete (z.B. 63, 64) an Innen- und Außenseite relativ zueinander so angeordnet sind, daß sie zwischen sich die Entladüngsstrecke (Luftspalt) ,(,z.B. 65) festlegen. . >

^: - . . , ' ' .

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1.3. Vorrichtung nach : Punkt 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Probe bzw. das gesamte Werkstück (z.B. 67) mittels der Einrichtung (z.B. 62) zur Änderung der .Relativstellungen zwischen dem Werkstück und der Einrichtung (63, 64) zum Induzieren des Magnetfelds über die Entladungsstrecke (Luftspalt) (z.B. 65) bewegbar ist.

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