DE10053198C2 - Verfahren zum lokalen Ätzen - Google Patents

Verfahren zum lokalen Ätzen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum lokalen Ätzen insbesondere für den Einsatz in der Halbleiterfertigung.
Bei verschiedensten Herstellungsverfahren der Halbleiterindustrie ist es oftmals notwendig, sehr kleine Löcher im Bereich von 1 µm bis 1 cm im Durchmesser zu ätzen. Aus prozeßtechnischen Gründen sind hierfür naßchemische Ätzverfahren besonders gut geeignet. Bei der herkömmlichen Verfahrensweise wird nur eine geringe Menge an Ätzsäure auf die zu ätzende Oberfläche aufgebracht, da die Gefahr besteht, dass sich die Ätzsäure verteilt und eine größere als die gewünschte Fläche geätzt wird.
Punktgenaues Ätzen wurde bisher durch Laser­ unterstütztes Ätzen erreicht. Bei diesem Verfahren wird die Ätzsäure großflächig auf die Oberfläche aufgebracht und gezielt nur in dem zu ätzenden Bereich durch Bestrahlung mit einem Laser und Einwirkung der Laserenergie zur Reaktion mit der Oberfläche gebracht. Dieses Verfahren kann aber nur bei Materialien angewendet werden, die mit der Säure an sich, also ohne zusätzliche Anregung, nicht reagieren. Zudem ist dieses Verfahren apparativ relativ aufwendig.
Aus der US 5,271,798 ist ein Verfahren zur selektiven Materialentfernung aus Ausrichtungsmarkierungen auf einem Wafer bekannt, das während eines Halbleiterherstellungsprozesses eingesetzt werden kann. In diesem Verfahren wird der Wafer derart unterhalb einer Ätzmittelabgabevorrichtung positioniert, dass das Ätzmittel auf die Ausrichtungsmarkierungen abgegeben werden kann. Die Ätzmittelabgabevorrichtung besteht aus einer inneren, zylinderförmigen, am unteren Ende verjüngten Leitung, die durch die obere Kreisfläche eines an der Unterseite geöffneten Hohlzylinders geführt wird. Am oberen Ende des Hohlzylinders ist eine zweite, zu der inneren zylindrischen Leitung senkrecht angeordnete Leitung angebracht, mit der das naßchemische Ätzmittel, das über die innere Leitung auf die Waferoberfläche geführt wird, wieder aus dem Hohlzylinder abgesaugt werden kann. Um einen entsprechenden Unterdruck in dem durch den Hohlzylinder eingeschlossenen Hohlraum erzeugen zu können, ist an der Unterseite des Zylindermantels des Hohlzylinders eine Dichtung angebracht, die auf die Waferoberfläche gepresst wird. Die durch den äußeren Hohlzylinder eingeschlossene Fläche ist größer als die zu ätzende Fläche, so dass das naßchemische Ätzmittel auch auf Bereiche der Waferoberfläche aufgebracht wird, die nicht geätzt werden sollen.
Des weiteren ist aus der JP 2000-124193 A ein Verfahren zum lokalen Ätzen von Siliziumwafern bekannt, bei dem auf eine zu ätzende Waferoberfläche ein gasförmiges Ätzmittel über eine innere, zylinderförmige Leitung geführt wird. Um die innere Leitung herum ist ein konisch geformtes Absaugrohr angebracht, mit dem das Ätzgas wieder abgesaugt wird. Die Größe des zu ätzenden Bereichs wird durch den Druck eines zugeführten N2-Gases zum zu ätzenden Bereich gesteuert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das auf einfache Weise ein lokal begrenztes, zielgenaues naßchemisches Ätzen erlaubt.
Diese Aufgabe wird von dem Verfahren zum lokalen Ätzen von Oberflächen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum lokalen Ätzen von Oberflächen umfasst die Schritte Bereitstellen einer Oberfläche, Bereitstellen eines flüssigen Ätzmittels, Bereitstellen einer Vorrichtung zum Zuführen und Absaugen des flüssigen Ätzmittels, wobei die Vorrichtung zwei zylinderförmige Leitungen mit unterschiedlichen Querschnittsflächen umfasst, von denen die zylinderförmige Leitung mit der geringeren Querschnittsfläche in der zylinderförmige Leitung mit der größeren Querschnittsfläche geführt ist, Zuführen des flüssigen Ätzmittels durch die innere Leitung zu dem zu ätzenden Bereich der Oberfläche, und Absaugen des sich über den zu ätzenden Bereich der Oberfläche hinaus ausbreitenden Ätzmittels durch die äußere Leitung. Die Querschnittsfläche der äußeren Leitung ist dabei kleiner oder gleich der Fläche des zu ätzenden Bereichs der Oberfläche.
Das Ätzmittel wird erfindungsgemäß durch die innere Leitung direkt auf die Oberfläche aufgebracht. Diese innere Leitung ist von einer weiteren Leitung umgeben, deren Querschnittsfläche maximal der Querschnittsfläche des zu ätzenden Bereiches entspricht. Durch diese äußere Leitung wird das austretende Ätzmittel abgesaugt, sobald dieses sich über den zu ätzenden Bereich hinaus ausbreitet.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es ermöglicht, auf einem lokal sehr beschränkten Bereich einer Oberfläche, insbesondere einer Oberfläche eines Halbleiterwafers zu ätzen. Die Gefahr, dass die Ätzflüssigkeit sich wie bei herkömmlichen Methoden über die Oberfläche ausbreitet, wird minimiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die innere Leitung als Hohlzylinder ausgebildet und der Durchmesser des inneren Hohlzylinders beträgt zwischen 1 µm und 1 cm, insbesondere zwischen 2 µm und 1 mm. Besonders bevorzugt wird ein Durchmesser des inneren Hohlzylinders zwischen 3 µm und 100 µm, insbesondere zwischen 4 µm und 50 µm. Ganz besonders bevorzugt beträgt der Durchmesser des inneren Hohlzylinders zwischen 5 µm und 20 µm, insbesondere zwischen 6 µm und 10 µm.
Bevorzugt werden Ausführungsformen gemäß denen die äußere Leitung als Hohlzylinder ausgebildet ist und der Durchmesser des äußeren Hohlzylinders wenigstens fünfmal so groß ist wie der Durchmesser des inneren Hohlzylinders. Insbesondere wird bevorzugt, dass der Durchmesser des äußeren Hohlzylinders wenigstens zweimal so groß ist wie der Durchmesser des inneren Hohlzylinders. Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser des äußeren Hohlzylinders wenigstens 1,5mal so groß ist wie der Durchmesser des inneren Hohlzylinders.
Um die nötige Flexibilität bei der Positionierung der Vorrichtung zum Zuführen und Absaugen des Ätzmittels zu gewährleisten, werden Ausführungsformen bevorzugt, gemäß denen die Dicke der Wandungen von innerer und äußerer Leitung zwischen 5 µm und 1 mm beträgt, insbesondere werden Ausführungsformen bevorzugt, gemäß denen die Dicke der Wandungen zwischen 10 µm und 100 µm beträgt.
Das Material, aus dem die Vorrichtung zum Zuführen und Absaugen der Ätzsäure gefertigt ist, sollte zwei wichtige Eigenschaften aufweisen: Zum einen sollte das Material inert gegen das Ätzmittel sein und zum anderen sollte sich das Material zu relativ dünnwandigen Leitungen formen lassen, die trotzdem genügend Stabilität gegen Bruch oder Verformung aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestehen daher die Leitungen aus Glas, Stahl oder Kunststoff.
Das Ätzmittel muss einerseits die zu ätzende Oberfläche mit genügender Rate ätzen, darf andererseits aber die Wandungen der Leitungen nicht angreifen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden als Ätzmittel wässrige Lösungen von HF, HCl, HNO3, H2SO4 oder deren Mischungen verwendet.
Bei dem zu ätzenden Material handelt es sich bevorzugt um ein Dielektrikum, ein Metall, eine metallhaltige Verbindung, ein Übergangsmetallsilizid oder ein Übergangsmetallnitrid. Besonders bevorzugt werden die Materialien SiO2, Si4N3, Al2O3, TaO2, WN, WSix, CoSi und TaSi.
Als besonders vorteilhaft haben sich Ausführungsformen erwiesen, bei denen die Eintrittsöffnung der äußeren Leitung, durch die das überschüssige Ätzmittel abgesaugt wird, zu der zu ätzenden Oberfläche geringer beabstandet ist als die Austrittsöffnung der inneren Leitung, durch die das Ätzmittel der Oberfläche zugeführt wird.
Insbesondere im Hinblick auf das effektive Absaugen des überschüssigen Ätzmittels haben sich Ausführungsformen als vorteilhaft erwiesen, bei denen die Wandung der äußeren Leitung im Bereich der Eintrittsöffnung in einem Winkel α < 180° nach innen gebogen ist. Ganz besonders bevorzugt werden Ausführungsformen, bei denen die Wandung in einem Winkel α < 150° nach innen gebogen ist.
Wie oben bereits geschildert, kann der zu ätzende Bereich der Oberfläche nicht nur eine kreisrunde Form aufweisen, sondern auch quadratisch sein oder ein gewisses Aspektverhältnis aufweisen. Erfindungsgemäß kann die innere und/oder äußere Leitung im Querschnitt ebenfalls nicht nur eine kreisförmige Form, sondern auch eine elliptische oder polyedrische, insbesondere eine rechteckige Form aufweisen. Eine innere und/oder äußere Leitung mit einem rechteckigen Querschnitt kommt vorteilhafterweise dann zum Einsatz, wenn der zu ätzende Bereich nicht kreisförmig ist, sondern ein gewisses Aspektverhältnis aufweist, weil dann die Form des Querschnitts der Leitungen der Form des zu ätzenden Bereichs angepasst werden kann.
In der Regel wird die innere und/oder äußere Leitung allerdings einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Das Ätzen eines Bereiches mit einem bestimmten Aspektverhältnis kann nun dadurch erfolgen, dass die Wandung der äußeren Leitung im Bereich der Eintrittsöffnung der äußeren Leitung mit verschiedenen Winkeln 180° < α < 90° nach innen gebogen vorliegt.
Je stärker die Wandung nach innen gebogen vorliegt, je kleiner also der Winkel α ist, umso weniger kann sich das flüssige Ätzmittel um den Bereich der Austrittsöffnung der inneren Leitung ausbreiten, da es ja sofort wieder durch die äußeren Hohlzylinder abgesaugt wird. Wird die Wandung der äußeren Leitung weniger stark nach innen gebogen, liegt also ein größerer Winkel α vor, so wird das sich ausbreitende Ätzmittel erst später durch die äußeren Leitung aufgesaugt und kann sich daher weiter um den Austrittsquerschnitt des inneren Hohlzylinders herum ausbreiten.
Durch um den Umfang der Eintrittsöffnung der äußeren Leitung verschiedene Winkel α kann auch ein nicht-kreisrunder Bereich geätzt werden. Mit größerer Differenz zwischen den für verschiedene Segmente des Eintrittsquerschnitts der äußeren Leitung vorliegenden Winkel α können höhere Aspektverhältnisse des zu ätzenden Bereichs erzielt werden.
Die Größe des Winkels α richtet sich nach der Ätzrate des Ätzmittels für das jeweilige zu ätzende Material und hängt somit vom dem Material der Oberfläche, dem Ätzmittel und dessen Verdünnung ab. Der äußere Querschnitt der äußeren Leitung ist etwas kleiner als die zu ätzende Öffnung, damit die Vorrichtung bei fortschreitendem Ätzen nachgeführt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur näher dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Vorrichtung 1 zum Zuführen und Absaugen der Ätzsäure. Die Vorrichtung 1 umfasst zwei Hohlzylinder mit unterschiedlichem Durchmesser, wobei der Hohlzylinder mit geringerem Durchmesser 2 in dem Hohlzylinder mit größerem Durchmesser 3 geführt ist. Die Ätzsäure wird durch den inneren Hohlzylinder 2 dem zu ätzenden Bereich des Halbleiterwafers zugeführt, während die sich über den zu ätzenden Bereich des Halbleiterwafers ausbreitende Ätzsäure durch den äußeren Hohlzylinder 3 abgesaugt wird. Die Wandung des äußeren Hohlzylinders 3 ist im Bereich der Eintrittsöffnung in einem Winkel etwa α = 148° nach innen gebogen.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist aus zwei Stahlrohren gefertigt, durch die die Ätzsäure zugeführt und die überschüssige Ätzsäure wieder abgesaugt wird. Die Vorrichtung kann verwendet werden, um beispielsweise durch eine dielektrische Schicht (Mouldercompound) lokal die Chip-pads eines SDRAMs freizuätzen. Die zu ätzende Fläche beträgt in diesem Fall rund 80 × 80 µm.

Claims (17)

1. Verfahren zum lokalen Ätzen von Oberflächen umfassend die Schritte:
  • a) eine Oberfläche wird bereitgestellt,
  • b) ein flüssiges Ätzmittel wird bereitgestellt,
  • c) eine Vorrichtung (1) zum Zuführen und Absaugen des flüssigen Ätzmittels umfassend zwei zylinderförmige Leitungen mit unterschiedlichem Querschnittsflächen wird bereitgestellt, wobei die Zylinderförmige innere Leitung (2) mit der geringeren Querschnittsfläche in der zylinderförmigen äußere Leitung (3) mit der größeren Querschnittsfläche geführt ist, und wobei die Querschnittsfläche der äußeren Leitung (3) kleiner oder gleich der Fläche des zu ätzenden Bereichs der Oberfläche ist,
  • d) das flüssige Ätzmittel wird durch die innere Leitung (2) dem zu ätzenden Bereich der Oberfläche zugeführt, und
  • e) das sich über den zu ätzenden Bereich der Oberfläche hinaus ausbreitende flüssige Ätzmittel wird durch die äußeren Leitung (3) abgesaugt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Leitung (2) als Hohlzylinder ausgebildet ist und der Durchmesser des inneren Hohlzylinders (2) zwischen 1 µm und 1 cm, insbesondere zwischen 2 µm und 1 mm beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des inneren Hohlzylinders (2) zwischen 3 µm und 100 µm, insbesondere zwischen 4 µm und 50 µm beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des inneren Hohlzylinders (2) zwischen 5 µm und 20 µm, insbesondere zwischen 6 µm und 10 µm beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Leitung (3) als Hohlzylinder ausgebildet ist und der Durchmesser des äußeren Hohlzylinders (3) wenigstens fünfmal so groß ist wie der Durchmesser des inneren Hohlzylinders (2).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des äußeren Hohlzylinders (3) wenigstens zweimal so groß ist wie der Durchmesser des inneren Hohlzylinders (2).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des äußeren Hohlzylinders (3) wenigstens 1,5 mal so groß ist wie der Durchmesser des inneren Hohlzylinders (2).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Wandungen der inneren und äußeren Leitung (2, 3) zwischen 5 µm und 1 mm beträgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Wandungen der inneren und äußeren Leitung (2, 3) zwischen 10 µm und 100 µm beträgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (2, 3) aus Glas, Stahl oder Kunststoff bestehen.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ätzsäure wässrige Lösungen von HF, HCl, HNO3, H2SO4 oder deren Mischungen verwendet werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zu ätzendes Material ein Dielektrikum, ein Metall, eine metallhaltige Verbindung, ein Übergangsmetallsilizid oder ein Übergangsmetallnitrid verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als zu ätzendes Material SiO2, Si4N3, Al2O3, TaO2, WN, WSix, CoSi oder TaSi verwendet wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung der äußeren Leitung (3) zu der zu ätzenden Oberfläche einen geringeren Abstand als die Austrittsöffnung der inneren Leitung (2) aufweist.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung der äußeren Leitung (3) im Bereich der Eintrittsöffnung in einem Winkel α < 180° nach innen gebogen ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung der äußeren Leitung (3) im Bereich der Eintrittsöffnung in einem Winkel α < 150° nach innen gebogen ist.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung der äußeren Leitung (3) im Bereich der Eintrittsöffnung über den Umfang in unterschiedlichen Winkeln 180° < α < 90° nach innen gebogen ist.
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