DE19826382A1 - Verfahren zum anisotropen Ätzen von Silicium - Google Patents
Verfahren zum anisotropen Ätzen von SiliciumInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum anisotropen Ätzen von Silicium von vorzugsweise mit einer Ätzmaske definierten Strukturen, mittels eines Plasmas, wobei während eines Polymerisationsschrittes auf die durch die Ätzmaske definierte laterale Begrenzung der Strukturen ein Polymer aufgebracht wird, das während des nachfolgenden Ätzschrittes teilweise wieder abgetragen und auf den infolge der Ätzreaktion neu gebildeten, tiefer gelegenen Strukturseitenwänden redeponiert wird, und wobei das Ätzen mit einem Ätzgas, das 3-40 Vol.-% Sauerstoff aufweist, durchgeführt wird. DOLLAR A Hierdurch kann eine Vermeidung von Schwefelkontamination im Abgasbereich beim Hochratenätzen von Silicium erreicht werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum anisotropen Ätzen von Silicium nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 42 41 045 A1 ist ein Verfahren zum anisotropen Ätzen von Silicium
von vorzugsweise mit einer Ätzmaske definierten Strukturen, insbesondere
lateral exakt definierten Ausnehmungen in Silicium, mittels eines Plasmas
bekannt, wobei der anisotrope Ätzvorgang in separaten, jeweils alternierend
aufeinanderfolgenden Ätz- und Polymerisationsschritten getrennt durchgeführt
wird, welche unabhängig voneinander gesteuert werden, und wobei während
des Polymerisationsschrittes auf die durch die Ätzmaske definierte laterale
Begrenzung der Strukturen ein Polymer aufgebracht wird, das während des
nachfolgenden Ätzschrittes teilweise wieder abgetragen wird und in den durch
die Ätzreaktion neu gebildeten, tiefer gelegenen Teilen der Seitenwand
redeponiert wird, wodurch ein lokaler Kantenschutz und lokale Anisotropie
bewirkt wird.
Hierbei wird vorzugsweise Schwefelhexafluorid, SF6, als fluorlieferndes Ätzgas
alternierend mit einem teflon®artige Polymere bildenden Passiviergas von
Trifluormethan CHF3 in einem hochdichten Plasma, z. B. mit induktiver
Anregung (ICP = Inductively-Coupled Plasma) oder mit Mikrowellenanregung
(PIE = Propagation Ion Etching) eingesetzt, um Silicium mit sehr hohen Raten
anisotrop zu ätzen. Unter Hochratenätzen werden beispielsweise Raten von
5 µ/min verstanden.
Hierbei kann gleichzeitig eine sehr hohe Selektivität gegenüber der
Maskierschicht von beispielsweise Photoresist erreicht werden. Während der
Depositionsschritte wird auf den Seitenwänden geätzter Strukturen ein
Seitenwandpolymer abgeschieden. Während der Ätzschritte wird an sich
isotrop im Silicium weitergeätzt, wobei durch Abtrag und Redeposition des
Seitenwandpolymermaterials zu tieferliegenden Teilen des Ätzgrabens lokal
bereits beim Weiterätzen ein wirksamer Schutz der neu freizulegenden
Seitenwände bewirkt wird. Durch diese Verschleppung des Seitenwand
polymers zu tieferen Teilen des Ätzgrabens während des Weiterätzens wird
eine lokale Anisotropie des an sich isotropen, da fluorbasierten Ätzprozesses
erreicht. Für den Abtrag und die Redeposition ist der Anteil von Ionen
verantwortlich, der während des Ätzschritts durch die während der Ätzzyklen
angelegte Vorspannung beispielsweise zu einem Wafer hin beschleunigt wird,
jedoch nicht exakt senkrecht auf diesen einfällt und daher nicht unmittelbar den
Ätzgrund, sondern die Strukturseitenwände trifft und dort das Seitenwand
polymer tiefer schiebt. Dieser Anteil der nicht exakt senkrecht einfallenden
Ionen muß daher für die Prozeßführung optimal eingestellt werden und auch
die Ionenenergie über die Hochfrequenzleistung, die die Vorspannung der
Substrate zum Plasma bewirkt, so gewählt werden, daß ein senkrechtes
Wandprofil mit minimaler Wandrauhigkeit erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des in der DE 42 41 045 A1 beschriebenen
Verfahrens wird z. B. ein Druck von 13,3 µbar beim Depositionszyklus und ein
Druck von 26,6 µbar beim Ätzzyklus gewählt. Um die Drücke entsprechend den
Angaben einzustellen, kann z. B. ein langsamer Druckregler auf 19,95 µbar
Solldruck eingestellt werden. Wegen der unterschiedlichen effektiven Gasflüsse
während der Depositions- und Ätzzyklen wird dann ein Druck von ungefähr
13,3 µbar im Depositionsschritt selbsttätig erreicht. Bei diesem Wert ist der
Depositionsprozeß am effizientesten. Im Ätzschritt wird ein Druck von etwa
26,6 µbar selbsttätig erreicht, was für den Ätzschritt einen günstigen Wert
darstellt. Es kann auch ein schneller Druckregler mit zwei unabhängigen
Sollwertvorgaben eingesetzt werden, um den Depositonsschritt- und
Ätzschrittdruck auf die gewählten Werte einstellen zu können.
Bei diesem bekannten Verfahren tritt jedoch folgendes Problem auf:
Die für den Ätzschritt wesentliche Reaktion zur Freisetzung von Fluorradikalen ist die Zersetzung von SF6 in SF4 gemäß folgender Gleichung:
Die für den Ätzschritt wesentliche Reaktion zur Freisetzung von Fluorradikalen ist die Zersetzung von SF6 in SF4 gemäß folgender Gleichung:
SF6 ↔ SF4+2F
Da unter den Reaktionsbedingungen das Gleichgewicht der Reaktion auf der
Seite der freien Fluorradikale liegt, steht eine große Menge dieser Radikale zur
Verfügung. Deshalb kann selbst bei sehr hohen Anregungsdichten im Plasma,
wobei einige 10% des zugeführten SF6 auf die beschriebene Weise umgesetzt
wird, von die Rückreaktion hemmenden Additiven abgesehen werden. Es wird
jedoch ein relativ geringer Anteil des SF6 über das SF4 hinaus zu noch
fluorärmeren Schwefelfluoridverbindungen oder bis zu Schwefelatomen
umgesetzt.
Für den beschriebenen Ätzprozeß selbst ist das Auftreten von Schwefel ohne
Bedeutung, da bei den angegebenen Prozeßdrücken bei einer Substrat
temperatur von 30°C und selbst bei tieferen Substrattemperaturen von
beispielsweise -30°C keine Schwefelabscheidung auf der Waferoberfläche
oder in der Prozeßkammer auftreten kann. Im Bereich der Vakuumpumpen,
insbesondere bei Turbomolekularpumpen und in der Abgasleitung der
Turbopumpen, wo der Gasdruck vom Prozeßdruck auf den Hinterdruck der
Turbopumpe erhöht wird, tritt jedoch eine äußerst nachteilige Schwefel
abscheidung, insbesondere an nicht beheizten Wänden, auf. Der Bildung von
Schwefel liegt die übliche Reaktion von Schwefelatomen zu den bekannten
schwefelförmigen Ringmolekülen, insbesondere von S8 zugrunde. Diese
Kontamination der Abgasleitungen und von Teilen der Turbopumpe mit
Schwefelablagerungen kann einerseits mittelfristig zum Ausfall der
Turbopumpe führen und bringt andererseits die Gefahr mit sich, daß größere
Mengen an losem Schwefelstaub ungewollt in die Prozeßkammer verschleppt
werden, wenn beispielsweise die Vakuumpumpen abgeschaltet werden oder
ausfallen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
gattungsmäßigen Art bereitzustellen, durch das die Schwefelkontamination im
Abgasbereich beim anisotropen Ätzen von Silicium vermieden werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe überraschenderweise durch ein
Verfahren zum anisotropen Ätzen von Silicium durch vorzugsweise mit einer
Ätzmaske definierten Strukturen mittels eines Plasmas gelöst, wobei während
eines Polymerisationsschrittes auf die durch die Ätzmaske definierte laterale
Begrenzung der Strukturen ein Polymer aufgebracht wird, das während des
nachfolgenden Ätzschrittes teilweise wieder abgetragen und auf den neu
gebildeten, tiefer gelegenen Seitenwänden redeponiert wird, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß das Ätzen mit einem Ätzgas, das 3-40 Vol.-%
Sauerstoff aufweist, durchgeführt wird.
Der Erfolg dieses Verfahrens war insbesondere deshalb überraschend, weil der
eigentliche Ätzprozeß durch die Sauerstoffzugabe praktisch nicht beeinflußt
wird.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt einerseits
darin, daß die Lebensdauer der Turbopumpen erheblich verlängert wird und
andererseits, daß eine Schwefelkontamination der Prozeßkammer durch
ungewollte Verschleppung von Schwefelstaub aus dem Abgasbereich
ausgeschlossen ist.
Erfindungsgemäß werden diese in der Vergangenheit große Probleme
bereitenden Nachteile des bekannten Ätzverfahrens nunmehr auf eine einfache
Weise vollständig beseitigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Sauerstoffanteil während der
gesamten Dauer des Ätzschrittes 5-25 Vol.-%, in einer besonders bevorzugten
Ausführungsform während der gesamten Dauer des Ätzschrittes 10-15 Vol.-%
des Ätzgases.
Die Zugabemenge von Sauerstoff kann deshalb klein bleiben, da nur ein
geringer Anteil der SF6-Moleküle zu Schwefelatomen zersetzt wird. Da ferner
SF6 und SF4 unter den Ätzbedingungen kaum mit Sauerstoff reagieren, bleibt
der Sauerstoffverlust durch Reaktionen mit diesen Molekülen vernachlässigbar
klein. Dies ist auch ein Grund dafür, daß durch die Sauerstoffzugabe beim
Ätzprozeß keine Erhöhung der freien Fluorradikalkonzentration auftritt, was
etwa bei einem CF4-Plasma bekanntermaßen der Fall ist.
Bei dem niedrigen Druck, der in der Prozeßkammer herrscht, werden auch nur
wenige Schwefelatome durch Oxidationsreaktionen abgefangen. Da die
Schwefelatome dort auch nicht stören, ist dies ohne Bedeutung.
Während der Verdichtung des Abgases in der Turbomolekularpumpe bzw. in
der Turbopumpe und in den Abgasleitungen tritt jedoch erfindungsgemäß
nunmehr an die Stelle der Molekülbildungsreaktion zu den bekannten
Schwefelringen eine Oxidation der Schwefelatome zu flüchtigem SO bzw. SO2
auf. Als Nebenreaktion kommt es auch zur Bildung von flüchtigen
Schwefelfluoriden und Schwefeloxidfluoriden. Auf diese Weise findet keine
störende Schwefelabscheidung mehr statt und die Turbopumpen bzw. die
Turbomolekularpumpen und die Abgasleitungen bleiben vorteilhafterweise frei
von Schwefelstaub.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist wesentlich, daß die Menge des
während des Ätzprozesses zugeführten Sauerstoffs relativ gering bleibt und so
die Konzentration der Sauerstoffatomradikale im Plasma klein ist, so daß diese
keinen negativen Einfluß auf den Gesamtprozeß des Ätzens ausüben können.
Es soll nämlich beispielsweise der Lackmaskenabtrag von Wafern nicht erhöht
werden, d. h. es ist ein Ziel, daß die sehr hohe, vorteilhafte Lackmaskenselek
tivität des Ätzprozesses von <100 : 1, z. B. 100-200 : 1 erhalten bleibt. Ferner soll
auch der Seitenwandfilmtransportmechanismus, der für das Entstehen glatter
Seitenwände verantwortlich ist, bestehen bleiben. Das Seitenwandpolymer soll
also im wesentlichen in die Tiefe der Ätzgräben vorwärtsgesputtert werden und
nicht durch Oxidation zu nicht mehr redepositionsfähigen Verbindungen umge
wandelt werden. Die Konzentration an gebildeten Sauerstoffatomradikalen, die
den Photolack der Lackmaske oder das Seitenwandpolymer irreversibel
umwandeln können, muß also klein bleiben gegenüber dem ionenunterstützen
den Abtrag durch Fluorradikale, der eine nachfolgende Redeposition erlaubt.
Bei dem Ätzprozeß ist ferner die Bildung von Siliciumoxiden aus der Reaktion
von Siliciumfluoriden, dem Reaktionsprodukt der Siliciumätzung durch Fluor,
mit Sauerstoffatomradikalen unerwünscht, weil es hierdurch zu einer Redepo
sition von Siliciumdioxid auf der Waferoberfläche kommen kann. Silicium-
Sauerstoff-Verbindungen sind chemisch sehr stabil und werden deshalb bei
den niedrigen Ionenenergien des anisotropen Ätzverfahrens nicht mehr
vollständig abgebaut, so daß es zu einer Mikromaskierung auf dem Ätzgrund
kommen kann. Hierfür ist insbesondere Siliciumdioxid verantwortlich. Diese
Mikromaskierung kann zur Bildung von Nadeln, Zacken, Mikrorauhigkeiten oder
sogar zu dem sogenannten schwarzen Silicium (black silicon) führen. Aufgrund
der für die hohe Maskenselektivität optimierten Prozeßparameter erlaubt die
Prozeßführung keine zuverlässige Entfernung von Siliciumdioxidablagerungen,
weil hierfür die Ionenenergie nicht ausreicht. Die Selektivität des Prozesses
gegenüber SiO2 ist <200 : 1; z. B. 200-300 : 1, was SiO2 zu einer sehr wider
standsfähigen Maskierung macht.
Ein Zusatz von Sauerstoffgas in den beanspruchten Mengenbereichen zeigt
praktisch noch keine der beschriebenen nachteiligen Effekte, d. h. die Prozeß
eigenschaften werden praktisch nicht verändert und die Ätzraten, die
Selektivität und das Seitenwandprofil bleiben erhalten, wie bei einem
entsprechenden Prozeß ohne die erfindungsgemäße Sauerstoffzugabe. So
können beispielsweise bei einem Gasfluß von 20 sccm O2 = 20 Norm-cm3/min
O2 Substrate wie 6"-Siliciumwaver sogar ganzflächig über viele Stunden
abgedünnt werden, ohne daß es zur Bildung von Nadeln, Zacken oder
schwarzem Silicium kommt. Gegenüber der Lackmaskenselektivität, den
Ätzraten und der Seitenwandrauhigkeit verhalten sich die Sauerstoff
konzentrationen neutral. Andererseits sind die angegebenen Konzentrationen
völlig ausreichend, um Schwefelausscheidungen im Abgasbereich und in den
Pumpen auszuschließen.
Der Sauerstofffluß kann während der gesamten Dauer der Ätzschritte
eingeschaltet bleiben. Es ist jedoch erfindungsgemäß auch möglich, den
Sauerstoff nur während kurzer Intervalle, von vorzugsweise 0,1-1 s innerhalb
jeden Ätzschrittes zuzusetzen. Es ist ferner möglich, das Sauerstoff
enthaltende Ätzgas nur am Anfang und/oder am Ende eines Ätzschritts
einzusetzen.
Durch diese erfindungsgemäße Ausführungsform bleibt der Ätzschritt die
meiste Zeit über frei von der Sauerstoffzugabe und wird nur relativ kurzzeitig
beeinflußt. Hierbei ist allerdings zu beachten, daß der O2-Gasfluß so hoch
gewählt werden muß, daß im Abgasbereich sicher keine Schwefel
ausscheidung möglich ist.
Vorzugsweise wählt man für die in den Ätzschritten und Polymerisations
schritten eingesetzten Medien Gasflüsse von 10-200 Norm-cm3/min und
Prozeßdrücke von 5 bis 100 µbar. Die Plasmaerzeugung erfolgt vorzugsweise
mit einer Mikrowelleneinstrahlung bei Leistungen zwischen 100 und 1500 W
oder mit einer Hochfrequenzeinstrahlung bei Leistungen zwischen 100 und
2000 W in einer induktiv gekoppelten Plasmaquelle.
Als teflon®artige Polymere bildende Passiviergase können Trifluormethan
CHF3, Hexafluorpropen C3F6 oder Octafluorcyclobutan C4F8 eingesetzt werden.
Hexafluorpropene C3F6 und insbesondere Octafluorcyclobutan C4F8 eignen
sich insbesondere bei Anwendung eines Plasmas mit induktiver Anregung
(ICP), da solche ICP-Quellen eine geringere chemische Aktivität aufweisen als
die der DE 42 41 045 zugrunde liegende Mikrowellenquelle und daher
passivierfreudigere Gase benötigt werden.
Es ist wesentlich, daß der Sauerstoff nur während der Ätzschritte zugesetzt
wird und während der Depositionsschritte abgeschaltet wird. Sauerstoff beim
Depositionsschritt würde die Bildung von teflon®artigen Polymeren auf den
Strukturseitenwänden massiv beeinträchtigen, weil die teflon®bildenden
Radikale F2 oder CF2) naturgemäß eine sehr hohe Affinität zu Sauerstoff
molekülen aufweisen. Dadurch käme die Polymerisation der teflon®bildenden
Radikale zum Stillstand, so daß kein Seitenwandschutz in üblicher Weise mehr
erreicht werden und der Depositionsschritt ineffizient würde.
Im folgenden wird der Parametersatz für ein Ausführungsbeispiel angegeben.
1. Depositionszyklen
Druck: 13,3 µbar
Gasfluß: 100 sccm C4F8
Leistung an der hochdichten Plasmaquelle: 600-2000 W, z. B. 800 W (13,56 MHz für ICP oder 2,45 GHz für PIE)
Vorspannungsleistung: 0 W
Schrittdauer: 5 s
Gasfluß: 100 sccm C4F8
Leistung an der hochdichten Plasmaquelle: 600-2000 W, z. B. 800 W (13,56 MHz für ICP oder 2,45 GHz für PIE)
Vorspannungsleistung: 0 W
Schrittdauer: 5 s
2. Ätzzyklen
Druck: 26,6 µbar
Gasfluß: 130 sccm SF6 + 20 sccm O2
Leistung an der hochdichten Plasmaquelle: 600-2000 W, z. B. 800 W (13,56 MHz für ICP oder 2,45 GHz für PIE)
Vorspannungsleistung: 7 W
Schrittdauer: 9 s
Substrattemperatur: +30°C
Gasfluß: 130 sccm SF6 + 20 sccm O2
Leistung an der hochdichten Plasmaquelle: 600-2000 W, z. B. 800 W (13,56 MHz für ICP oder 2,45 GHz für PIE)
Vorspannungsleistung: 7 W
Schrittdauer: 9 s
Substrattemperatur: +30°C
Claims (11)
1. Verfahren zum anisotropen Ätzen von Silicium von vorzugsweise mit
einer Ätzmaske definierten Strukturen, mittels eines Plasmas, wobei während
eines Polymerisationsschrittes auf die durch die Ätzmaske definierte laterale
Begrenzung der Strukturen ein Polymer aufgebracht wird, das während des
nachfolgenden Ätzschrittes teilweise wieder abgetragen und in durch die
Ätzung neu gebildeten, tiefer gelegenen Teilen der Seitenwand redeponiert
wird,
dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen mit einem Ätzgas, das 3-40 Vol.-%
Sauerstoff aufweist, durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen
mit einem Ätzgas, das während der gesamten Dauer des Ätzschrittes
5-25 Vol.-% Sauerstoff aufweist, durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Ätzen mit einem Ätzgas, das während der gesamten Dauer des Ätzschrittes
10-15 Vol.-% Sauerstoff aufweist, durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-3, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Sauerstoff enthaltendes Ätzgas nur während
Intervallen von 0,1-1 s innerhalb eines Ätzschritts eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-3, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Sauerstoff enthaltendes Ätzgas nur am Anfang
und/oder am Ende eines Ätzschritts eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-5, dadurch
gekennzeichnet, daß man für die in den Ätzschritten und Polymerisations
schritten eingesetzten Medien Gasflüsse von 10-200 Norm-cm3/min und
Prozeßdrücke von 5 bis 100 µbar wählt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Erzeugung eines hochdichten Plasmas mit
Mikrowelleneinstrahlung bei Leistungen zwischen 100 und 1500 W erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Erzeugung eines hochdichten Plasmas mit
Hochfrequenzeinstrahlung bei einer Leistung zwischen 100 und 2000 W mit
induktiver Anregung erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Substrate während der gesamten Dauer des
Ätzschrittes mit einer Ionenenergie von 1-50 eV, vorzugsweise von 5-30 eV
beaufschlagt werden
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Substrate während der Polymerisationsschritte mit
einer Ionenenergie von 1-50 eV, vorzugsweise von 5-30 eV, insbesondere von
15 eV beaufschlagt werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beschleunigung der Ionen zum Substrat mittels einer
an die Substratelektrode angelegten Hochfrequenzleistung erfolgt.
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