DE10300197A1 - Verfahren zur Strukturierung von Dünnfilmen - Google Patents
Verfahren zur Strukturierung von DünnfilmenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strukturierung von Dünnfilmen, und zwar insbesondere SiO¶2¶-basierte Materialien. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Strukturierung von Dünnfilmen, mit dem eine hohe Flankensteilheit bei der zu strukturierenden Schicht erreicht werden kann. Ferner soll eine hohe Selektivität des Ätzverfahrens bezüglich benachbarten Schichten erreichbar sein. DOLLAR A Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Strukturierung von Dünnfilmen mittels reaktivem Ionenstrahlätzen gelöst, bei dem ein reaktives Gas direkt in die Quelle eingelassen und in ein Plasma überführt wird, wobei Ionen aus dem Plasma in Richtung Dünnfilme mittels eines Potenzials beschleunigt werden. Neutralteilchen und Radikale diffundieren zum Wafer bzw. dem zu strukturierenden Film.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strukturierung von Dünnfilmen und zwar insbesondere SiO2-basierte Materialien. Aus der Druckschrift DE 689 09 774 T2 ist ein Herstellungsverfahren für elektronische Bauelemente bekannt, gemäß dem dünne Filme aus Siliziumoxid auf Substraten abgeschieden werden.
- Es ist aus der Druckschrift DE 42 41 045 C1 bekannt, in Siliziumsubstrate, die vorzugsweise in der Halbleitertechnik angewendet werden, definierte Strukturen, beispielsweise Gräben, Kämme, Zungen, Biegebalken oder ähnliches mit geringer bis mittlerer Selektivität anisotrop einzuätzen. Die einzelnen einzuätzenden Strukturen werden üblicherweise durch auf das Siliziumsubstrat aufgebrachte Ätzmasken über sogenannte Maskierschichten, beispielsweise einer Photolackschicht, definiert. Dieser Stand der Technik betrifft jedoch keine dünnen Filme.
- Bei der anisotropen Ätztechnik ist es notwendig, zu einer lateral exakt definierten Ausnehmung im Silizium zu kommen. Diese in die Tiefe gehenden Ausnehmungen müssen möglichst genau senkrechte Seitenabschlüsse besitzen. Dabei dürfen die Ränder der Maskierschichten, die diejenigen Siliziumsubstratbereiche abdecken, die nicht geätzt werden sollen, nicht unterätzt werden, um die laterale Genauigkeit der Strukturübertragung von der Maske ins Silizium so hoch wie möglich zu halten, Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die Ätzung also nur auf dem Strukturgrund, nicht aber an den bereits erzeugten Seitenwänden der Strukturen fortschreiten zu lassen.
- Hierzu ist bereits vorgeschlagen worden, das Ätzen von Profilen in Siliziumsubsfraten mit einem Plasmaätzverfahren durchzuführen. Dazu werden in einem Reaktor mit Hilfe einer elektrischen Entladung in einem Reaktivgasgemisch chemisch reaktive Spezies und elektrisch geladene Teilchen (Ionen) erzeugt Die so generierten positiv geladenen Kationen werden durch eine elektrische Vorspannung, die am Siliziumsubstrat anliegt, zum Substrat hin beschleunigt und fallen annähernd senkrecht auf die Substratoberfläche und fördern auf dem Ätzgrund die chemische Umsetzung der reaktiven Plasmaspezies mit dem Silizium.
- Durch den nahezu senkrechten Einfall der Kationen soll die Ätzung an den Seitenwänden der Strukturen entsprechend langsam- bzw. im Optimalfall überhaupt nicht - voranschreiten.
- Es ist bekannt, für diese Plasmaätzverfahren ungefährliche und prozessstabile Reaktivgase auf Fluorchemiebasis einzusetzen. Dabei ist jedoch sehr nachteilig, dass diese auf Fluorchemiebasis wirkenden Reaktivgase zwar eine sehr hohe Ätzgeschwindigkeit und eine hohe Selektivität ermöglichen, aber ein ausgeprägtes isotropes Ätzverhalten zeigen. Für SiO2 ist dies allerdings nicht der Fall.
- Die im Plasma generierten Fluorradikale weisen dabei gegenüber dem Silizium eine so hohe spontane Reaktionsgeschwindigkeit auf, dass auch die Strukturkanten (Seitenflächen) schnell angeätzt werden und es somit zu der unerwünschten Unterätzung der Maskenkanten kommt. Hier ist jedoch wieder zwischen Silizium und SiO2 zu unterscheiden.
- Weiterhin ist bereits vorgeschlagen worden, die Seitenwände während der Ätzung mit gleichzeitig im Plasma befindlichen Polymerbildnern zu bedecken und durch diesen Polymerfilm zu schützen. Da sich dieser Polymerfilm auch auf dem Ätzgrund bilden würde, soll ein beständiger loneneinfall diesen von Polymer freihalten und die Ätzung dort ermöglichen.
- Die DE-PS 37 06 127 beschreibt ein diskontinuierliches Ätzverfahren zur Ausbildung einer Vertiefung mit einem großen Verhältnis von Tiefe zu Breite. Diese Ausbildung erhält man durch reaktive Ionenätzstufen von kurzer Dauer durch abwechselndes Beenden und Wiederaufnehmen der elektrischen Entladung. Es wird hierbei jeweils nach einer gewissen Ätzzeit eine Ätzpause eingelegt, während der sich die Reaktionsprodukte aus dem Ätzbereich verflüchtigen können. Die Wechselwirkung von Ätzprodukten, die sich sonst in schmalen Ätzgräben anreichern, mit den eigentlichen Ätzspezies wird dadurch vermindert und eine geringere Abhängigkeit der Ätzgeschwindigkeit von der Strukturbreite erreicht.
- Die Strukturierung von SiO2-basierten Materialien sowie für Silizium mittels Plasmaverfahren (reaktivem Ionen ätzen) ist ein Standardprozess in der Halbleitertechnologie. In Ionenstrahlätzanlagen hingegen konnte dieser Prozess bisher nicht durchgeführt werden, da diese mit einem Filament aufgebaut sind, welches den Gebrauch reaktiver Gase in der lonenquelle verhinderte und nur ein Sputtern erlaubte.
- Da der direkte Einlass reaktiver Gase in die Quelle nicht möglich war, standen in Ionenstrahlätzanlagen bisher nur zwei Alternativen offen:
- a) Beschränkung auf inerte Gase (z. B. Argon). Dies erlaubte nur ein Sputtern der zu strukturierenden Schichten. Entsprechend sind die Selektivitäten zu benachbarten Schichten begrenzt, da die Sputterraten der betrachteten Materialien in der selben Größenordnung liegen. Das bei Sputterprozessen auftretenden Phänomen des Faceting beschränkt die Kantensteilheit der zu strukturierenden Materialien,
- b) Verwendung sogenannter Gasringe. Dies erlaubte den Einlass reaktiver Gase in der Nähe der zu strukturierenden dünnen Filme. Da in diesem Fall die Quelle nach wie vor mit einem inerten Gas zu betreiben ist, liegt ein Gasgemisch vor, welches nicht das erforderliche Prozessfenster erlaubt. Ferner ist eine homogene Ätzrate über größere Substrate wegen Loadingeffekte nicht darstellbar.
- Neuartige Quellen erlauben heute den direkten Einsatz reaktiver Gase in der Quelle und eröffnen damit ein neues Prozessfenster, Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Strukturierung von Dünnfilmen, mit dem eine hohe Flankensteilheit bei der zu strukturierende Schicht erreicht werden kann. Ferner soll eine hohe Selektivität des Ätzverfahrens bezüglich benachbarten Schichten erreichbar sein.
- Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Strukturierung von Dünnfilmen mittels reaktivem Ionenstrahlätzen gelöst, bei dem ein reaktives Gas und/ oder Gasgemisch direkt in die Quelle eingelassen und in ein Plasma überführt wird, wobei Ionen aus dem Plasma in Richtung Dünnfilme mittels eines Potenzials beschleunigt werden. Neutralteilchen und Radikale diffundieren zum Wafer bzw. dem zu strukturierenden Film. Indem das Verfahren mit Ionen durchgeführt wird, wird erreicht, dass nachteilhafte Einflüsse von neutralen Teilchen und Radikalen vernachlässigt werden kann.
- Die Strukturierung von SiO2-basierten Materialien beruht vielfach auf der Reaktion von Silizium zu SiF4 mit den angebotenen Fluorionen, so dass diese genügend Energie besitzen, um die Bindungsenergie von SiO2 zu brechen. Allerdings ist die angebotene Energie so zu wählen, dass ein reines Sputtern verhindert wird. Die angebotene Energie beträgt daher grundsätzlich weniger als 800 eV, vorzugsweise weniger als 600 eV. Um hinreichend Energie bereitzustellen, liegt diese typischerweise oberhalb von 200 eV. Bevorzugt wird der Bereich bis 400 eV.
- Bevorzugt wird ein auf ein geeignetes elektrisches Potenzial gebrachtes Gitter eingesetzt, welches vor der Quelle angebracht ist. Durch dieses werden dann die Ionen in Richtung Wafer beschleunigt.
- Das reaktive Gas bzw. Gasgemisch enthält wenigstens ein Fluor-haltiges Gas. Bevorzugt enthält es ferner einen Polymerbildner. Die Aufgabe der Erfindung kann so besonders gut gelöst werden.
- Wird als Prozessgas neben reinen Fluorquellen (wie CF4, 3% oder NF3) ein Polymerbildner wie CHF3 eingesetzt, kann ein Gleichgewicht zwischen der Deposition von Polymeren auf den Seitenwänden, auf der Maske und dem Ätzen von Dünnfilmen in weiten Grenzen eingestellt werden. Die Lage des Gleichgewichts ist prozess- und materialabhängig. Dies ermöglicht es, hohe Selektivitäten zu benachbarten Schichten zu erreichen.
- Bevorzugt ist die Maske auf einer Kohlenstoffbasis aufgebaut. Der Kohlenstoff reagiert mit dem Fluor. Diese Passivierung ist für die Durchführung des Verfahrens zur Erzielung guter Ergebnisse von Vorteil. Der Mechanismus der Polymerabscheidung dient ebenfalls dazu, die Seitenwände bereits geätzter Schichten zu passivieren und damit die gewünschten hohen Flankensteilheiten zu erzielen.
- Die Homogenität der ausgebildeten Strukturen auf dem dünnen Film ist erfindungsgemäß nur durch die Quellengröße beschränkt und nicht prinzipiell durch Loadingeffekte, wie bei dem Gebrauch von Gasringen, also beispielsweise beim Einsatz eines Metallrings mit Löchern, aus denen das Gas ringartig austritt.
- Alternativ zu CHF3 kann Wasserstoff (H2) als Polymerbildner zugegeben werden. Ferner können als Polymerbildner komplexere Flurkohlenwasserstoffe mit eingebautem Wasserstoffanteil (CxFyHz) oder mit Doppelbindungen (z. B. C2F4) genutzt werden.
- Die Temperatur des Wafers liegt während der Durchführung des Verfahrens vorteilhaft zwischen 0 und 50°C.
- Der prinzipielle Versuchsaufbau ist in der Figur dargestellt. Ein Gas oder Gasgemisch wird entlang des Pfeils 1 bei der einen Stirnseite eines Gehäuses 2 eingeleitet. Das Gehäuse befindet sich in einer Spule 3, die für die Erzeugung des Plasmas benötigt wird. Das Gehäuse weist bei der anderen Stirnseite ein Gitter 4 auf, durch das die Gasbestandteile austreten können. In Strömungsrichtung des Gases schließt sich ein weiteres Gitter 5 an. Der Abstand zwischen den beiden Gittern beträgt beispielsweise 1 mm. Das weitere Gitter ist so auf Potenzial gebracht, dass hierdurch die Ionen in Richtung des dünnen Films 6 beschleunigt werden.
- Innerhalb der Anlage herrscht ein extrem niedriger Druck, so zum Beispiel weniger als 1 µbar.
- Ein 1 µm dicker SiO2-Dünnfilm wurde unter folgenden Bedingungen erfolgreich strukturiert:
Ionenstrom: Ib = 100 mA (Strom der Teilchen, die die Gitter passieren)
Plasmaquellenpotenzial: Vb = 300 V,
Gasfluss: 7,5 sccm CF4, 7,5 sccm CHF3 (sccm: Standardkubikzentimeter) - Die erzielte Flankensteilheit betrug mehr als 89° und die Selektivität zu der nachfolgenden Schicht (Platin) war größer als 1 : 50.
Claims (7)
1. Verfahren zur Strukturierung von Dünnfilmen mittels reaktivem
Ionenstrahlätzen, bei dem ein reaktives Gas direkt in die Quelle
eingelassen und in ein Plasma überführt wird, wobei Ionen aus dem
Plasma in Richtung Dünnfilme mittels eines Potenzials beschleunigt
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein auf ein Potenzial
gebrachtes Gitter zur Beschleunigung der Ionen eingesetzt wird,
welches vor der Quelle angebracht ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das reaktive Gas
wenigstens ein Fluor-haltiges Gas sowie bevorzugt einen
Polymerbildner enthält.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
strukturiert wird, indem SiO2 in SiF4 umgewandelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
das reaktive Gas CF4, SF6 und/ oder NF3 enthält.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
das reaktive Gas als Polymerbildner CHF3, H2, CxFyHz und/oder FCH
mit einer Doppelbindung enthält.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
der dünne Film bzw. Dünnfilm ganz oder im wesentlichen aus SiO2
besteht.
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| DE102010060910A1 (de) * | 2010-11-30 | 2012-05-31 | Roth & Rau Ag | Verfahren und Vorrichtung zur Ionenimplantation |
-
2003
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