DE19860163B4

DE19860163B4 - Verfahren zum Trockenätzen eines Wafers

Info

Publication number: DE19860163B4
Application number: DE19860163A
Authority: DE
Inventors: Franz Sumnitsch
Original assignee: SEZ AG
Current assignee: Lam Research AG
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2018-12-25
Also published as: US20010008804A1; DE19860163A1; GB9903653D0; TW424276B; GB2334620A; IT1307767B1; GB2334620B; ITMI990241A1; JPH11317391A; JP2011077561A

Abstract

Verfahren zum Trockenätzen mindestens eines definierten, beschichteten, randnahen Abschnitts mindestens einer Oberfläche eines Wafers mit einem gasförmigen Ätzmedium, bei dem der Wafer so auf eine Auflagefläche eines Trägers aufgelegt wird, daß der Träger mit der Außenkontur seiner Auflagefläche die Innenkontur des zu ätzenden randnahen Oberflächenabschnitts umlaufend überragt und der Ätzprozeß so lange durchgeführt wird, bis das Ätzmedium die Beschichtung des Wafers in seinem randnahen Oberflächenabschnitt, der von der Auflagefläche des Trägers abgedeckt ist, in dem gewünschten definierten Maß weggeätzt hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trockenätzen eines definierten, randnahen Abschnitts einer Oberfläche eines beschichteten Wafers (Halbleiter-Scheibe).
Ein solcher Wafer, beispielsweise auf Siliciumbasis, kann beispielsweise allseitig eine Beschichtung auf Basis von Siliciumdioxid aufweisen. Für nachfolgende Prozesse (wenn zum Beispiel eine Goldschicht oder eine Schicht aus Polysilicium (polykristallines Silicium) aufgebracht werden soll) kann es notwendig sein, den Wafer zumindest im Randbereich einer Haupt-Oberfläche, gegebenenfalls aber auch im Bereich seiner Umfangsfläche und/oder der zweiten Haupt-Oberfläche von der vorhandenen Beschichtung zu befreien. Dies geschieht durch Ätzverfahren, die sich vor allem in Trockenätzverfahren und Naßätzverfahren untergliedern lassen.
Die Erfindung ist auf das Trockenätzen von Wafern gerichtet. Dabei wird die zu entfernende Beschichtung (zum Beispiel Siliciumdioxidschicht) mit einem gasförmigen Ätzmittel (zum Beispiel Fluorwasserstoff) behandelt, wobei sich gasförmiges Siliciumtetrafluorid (SiF₄) bildet.

Die EP 0 701 276 A2 beschreibt ein Verfahren zum einseitigen Ätzen eines Wafers mit HF-Gas. Die Ätzung der anderen Waferseite wird dadurch verhindert, daß diese Seite während des Ätzvorgangs mit einem Inertgas gespült wird.

Aus der US 5,384,008 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Materialschicht auf eine Oberfläche eines Wafers bekannt, und zwar ohne Rückstände auf der Rückseite des Wafers. Um solche Rückstände auf der Rückseite des Wafers zu entfernen, wird der Wafer auf einen Träger gelegt, und zwar so, daß der Randbereich des Trägers übersteht. Zu diesem Zweck weist die Trägeroberfläche beispielsweise im Randbereich des Wafers eine korrespondierende Vertiefung auf. Auf diese Weise kann in einem folgenden Ätzprozeß der frei überstehende untere Randbereich des Wafers geätzt werden.

Auf diese Weise läßt sich jedoch kein definierter Randbereich wegätzen; es entsteht vielmehr auf der Unterseite des Wafers im Grenzbereich zwischen Träger und Wafer eine relativ unregelmäßige Grenzkontur.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, auf mindestens einer Oberfläche eines Wafers einen definierten, randseitigen Abschnitt von dessen Beschichtung im Trockenätzverfahren zu befreien, also beispielsweise bei einer runden Halbleiter-Scheibe auf mindestens einer Oberfläche einen randseitigen Ringbereich definierter Breite wegzuätzen.

Ausgehend von dieser Aufgabenstellung hätte es nahegelegen, die Waferoberfläche mit Ausnahme des zu ätzenden Abschnitts beispielsweise abzudecken, oder, wie in der EP 0 701 276 A2 angedeutet, durch einen Inertgasschleier gegenüber dem Ätzmedium zu schützen. Tatsächlich lassen sich auf diese Art und Weise auch randseitige Beschichtungsabschnitte einer Waferoberfläche wegätzen, jedoch mit „irregulärer" Kontur. Insbesondere im Übergangsbereich zwischen geätzter und nicht geätzter Oberfläche läßt sich auf diese Weise keine definierte Grenzzone ausbilden, offensichtlich bedingt durch unkontrollierbare Diffusionsvorgänge des Ätzgases in diesem Bereich.

Durch systematische Versuche wurde festgestellt, daß derartige Diffusionsprozesse jedoch genutzt werden können, um eine definierte Grenzlinie zwischen der zu ätzenden (geätzten) und nicht zu ätzenden Oberfläche des Wafers auszubilden.

Eine solche definierte Grenzlinie läßt sich allerdings nur dann erreichen, wenn die genannten Diffusionsvorgänge über eine „gewisse Strecke" wirksam werden können.

Die Erfindung bietet dazu ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 an.

Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens wird nachfolgend näher beschrieben.

Dabei dient die Ätzkammer dazu, den zu behandelnden Wafer aufzunehmen und einen definierten Behandlungsraum zu schaffen. Das Ätzmedium, beispielsweise HF-Gas, wird über eine Zuführöffnung in den Innenraum der Ätzkammer zugeführt.

Im Innenraum der Ätzkammer dient ein Träger der Aufnahme des zu behandelnden Wafers. Dabei ist es zweckmäßig, die Auflagefläche für den Wafer horizontal anzuordnen, um eine sichere Auflage des Wafers und eine umfangsseitig gleichmäßige Ätzbehandlung zu ermöglichen. In diesem Sinne ist es ebenfalls zweckmäßig, den Träger und damit den Wafer mittig in der Ätzkammer anzuordnen und beispielsweise die Ätzkammer für einen runden Wafer rotationssymmetrisch zu gestalten.

Da die Zufuhr des Ätzmittels üblicherweise kontinuierlich erfolgt, ist mindestens eine Entnahmeöffnung vorgesehen, über die überschüssiges oder verbrauchtes Ätzgas ebenso weggeführt werden kann wie gegebenenfalls durch den Ätzvorgang entstandene Reaktionsprodukte.

Das entscheidende Merkmal der Vorrichtung liegt nun in der konkreten geometrischen Gestaltung des Trägers. Seine Außenkontur, das heißt die Umfangslinie seiner Auflagefläche, muß größer sein als die Innenkontur, das heißt die innere Umfangslinie des wegzuätzenden Flächenabschnitts. Dabei besteht selbstverständlich die weitere Forderung, daß die Umfangslinie des wegzuätzenden Oberflächenabschnitts des Wafers bei aufgelegtem Wafer innerhalb der Außenkontur des Trägers liegt.

Üblicherweise wird der Wafer die Form einer Kreisscheibe aufweisen. Bei einem angenommenen Außendurchmesser D des Wafers und der Forderung, auf einer Oberfläche des Wafers im Randbereich einen ringförmigen Abschnitt wegzuätzen, dessen Innendurchmesser d beträgt (wobei D > d ist), folgt daraus für die Geometrie des Trägers, daß der hier angenommene ringförmige oder kreisringförmige Träger einen Außendurchmesser d + x aufweist, wobei x > 0 ist.

Ausgehend von einem Anwendungsbeispiel, bei dem (d + x) < D ist, wurde festgestellt, daß das Ätzmedium zwar anfänglich überwiegend den über den Träger vorstehenden randseitigen Oberflächenabschnitt des Wafers wegätzt; das Ätzmedium jedoch in der Folge in den Bereich zwischen der Auflagefläche des Trägers und den korrespondierenden Flächenabschnitt des Wafers eindringt und die entsprechende Wafer-Beschichtung in diesem Abschnitt entsprechend zunehmender Eindringtiefe des Ätzmittels über Diffusionsprozesse ebenfalls wegätzt. Dabei dringt das Ätzmedium überraschend allseitig gleichmäßig tief in den Kontaktbereich zwischen Träger und Wafer ein, so daß im Ergebnis eine exakt definierbare Grenzlinie zwischen dem geätzten und nicht geätzten Oberflächenabschnitt des Wafers im Kontaktbereich Wafer/Träger ausgebildet wird.

Üblicherweise wird die Außenkontur des Trägers umlaufend einen gleichen Abstand zur Innenkontur des zu ätzenden Oberflächenabschnitts des Wafers aufweisen. Dies gilt insbesondere für kreisförmige Halbleiter-Scheiben, bei denen randseitig eine definierte Ringfläche weggeätzt werden soll.

Es ist aber auch ohne weiteres möglich, individuelle Grenzlinien, beispielsweise in Wellenform oder mit geradlinigen Abschnitten, auszubilden.

Nach einer Ausführungsform ist die Auflagefläche des Trägers für den Wafer deutlich kleiner als die Wafer-Oberfläche.

So kann der Träger beispielsweise eine Ringform aufweisen, wobei die Breite des Ringes (beziehungsweise verallgemeinert: die Breite der Auflagefläche) entsprechend vorstehender Lehre so gewählt ist, daß sie auch zumindest einen Teil des nicht wegzuätzenden Oberflächenabschnitts abdeckt.

Die Auflage des Wafers auf einer relativ schmalen Auflagefläche stabilisiert die Lage des Wafers auf dem Träger.

Nach einer Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen der Innenkontur des zu ätzenden Oberflächen-Abschnitts des Wafers und der Außenkontur des Trägers 1 bis 6 mm.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Außenkontur der Auflagefläche des Trägers maximal der Außenkontur des Wafers entspricht.

Hierbei erfolgt die randseitige Ätzung ausschließlich über die vorstehend genannten Diffusionsprozesse, jedoch ebenso definiert, so daß im Ergebnis ebenfalls eine definierte Grenzlinie, beispielsweise eine exakte Kreislinie, zwischen dem geätzten und dem nicht geätzten Oberflächenabschnitt des Wafers ausgebildet wird.

Sowohl die Auflage des Wafers auf dem Träger als auch die genannten Diffusionsprozesse können dadurch optimiert werden, wenn die Auflagefläche des Trägers, die dem zu ätzenden Oberflächenabschnitt des Wafers gegenüberliegt, mindestens eine umlaufende Rille aufweist. Die Tiefe und Breite der Rille kann dabei auf Größenordnungen weniger um begrenzt werden.

Um den Wafer auf den Träger zu setzen beziehungsweise vom Träger abzunehmen, sind Hilfswerkzeuge erforderlich. Die Montage/Demontage kann mit einer auf den Wafer wirksamen Hubeinrichtung erleichert werden.

Diese Hubeinrichtung kann beispielsweise aus vertikal verschiebbaren Stiften bestehen, vorzugsweise mindestens drei Stiften, die den Wafer zur Entnahme nach oben anheben und damit vom Träger lösen.

Um insbesondere bei rotationssymmetrischen Wafern einen Randabschnitt konstanter Breite wegätzen zu können, können außerdem Positioniermittel zur konzentrischen Anordnung des Wafers in bezug auf den Träger vorgesehen werden. Diese können beispielsweise aus Führungsorganen (beispielsweise Führungsstiften) bestehen, die entlang der Außenkontur (des Außendurchmessers) des zu behandelnden Wafers angeordnet werden. Im Fall von beispielsweise drei stiftartigen Führungsorganen liegt der Wafer entsprechend an drei Punkten seines Umfangs gegen die Führungsstifte an, die in diesem Fall bevorzugt einen Winkel von 120° zueinander aufweisen.

Die entsprechenden Führungsorgane können ebenso zur Montage und Demontage des Wafers genutzt werden.

Die Vorrichtung kann ebenso dazu genutzt werden, bei einem Wafer beide Oberflächen randseitig wegzuätzen. In diesem Fall wird der Wafer oberseitig mit einer entsprechenden „Maske" abgedeckt, wobei für die Geometrie dieser Maske dieselben Vorgaben gelten wie für den Träger. Auch hier gilt, daß die Maske beispielsweise hutartig gestaltet sein kann, also nur randseitig auf der Wafer-Oberfläche aufliegt.

Schließlich ist es auch möglich, den Wafer so zu behandeln, daß seine Unterseite randseitig sowie die Umfangsfläche und seine Oberfläche geätzt werden. In diesem Fall bedarf es lediglich der Anordnung des eingangs genannten Trägers.

Beim Verfahren können während des Ätzprozesses nicht verbrauchtes Ätzmedium und durch den Ätzprozeß entstandene Reaktionsprodukte, beispielsweise SiF₄, H₂O abgezogen und gleichzeitig neues Ätzmedium zugeführt werden. Diese beiden Verfahrensschritte können so oft wiederholt werden, bis das Ätzmedium die Beschichtung des Wafers in seinem randnahen Oberflächenabschnitt, der von der Auflagefläche des Trägers abgedeckt ist, in dem gewünschten definierten Maß weggeätzt hat.

Nach einer weiteren Verfahrensvariante legt man den Wafer mit seinem sich von seinem Umfangsrand nach innen erstreckenden randnahen Abschnitt auf einen Bereich der Auflagefläche des Trägers auf, der mindestens so breit ist wie der wegzuätzende randnahe Oberflächenabschnitt des Wafers. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die Grenzlinie zwischen dem weggeätzten und nicht weggeätzten Oberflächenabschnitt des Wafers in der Kontaktzone zwischen Träger und Wafer liegt, wie dies vorstehend ausführlich beschrieben wurde.

Vorstehend wurde bereits erwähnt, daß analog auch die dem Träger abgewandte Oberfläche des Wafers behandelt werden kann. Dazu sieht eine Ausführungsform vor, diese Oberfläche des Wafers mit einer Abdeckung zu belegen, die einen umlaufenden randnahen Oberflächenabschnitt des Wafers freiläßt, aber mit ihrer Außenkontur die Innenkontur des auf dieser Oberfläche des Wafers zu ätzenden randnahen Oberflächenabschnitts überragt. Im Prinzip werden damit die vorstehend für die „Unterätzung" bereits beschriebenen Merkmale analog auf die Oberseite des Wafers übertragen.

Das Abziehen nicht verbrauchten Ätzmediums sowie entstandener Reaktionsprodukte sollte im Normalfall erfolgen, bevor ein durch den Ätzprozeß entstandenes Reaktionsprodukt (beispielsweise Wasser) auf dem Wafer kondensiert.

Das Verfahren kann bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck durchgeführt werden.

Im übrigen ergeben sich bezüglich des Verfahrens die gleichen Merkmale und Vorteile, wie anhand der Vorrichtung beschrieben.

Die Vorrichtung dient entsprechend zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens. Wie anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung noch näher erläutert, kann der Träger (die Auflage für den Wafer) innerhalb des Bereiches, in dem der Wafer auf dem Träger aufliegt, eine Vertiefung aufweisen. Durch diese Vertiefung wird ein mögliches Problem bei vollflächig aufliegendem Wafer vermieden. Bei vollflächig auf einer Stützfläche aufliegendem Wafer kann dieser im Randbereich nicht überall in gleichem Abstand zur Auflagefläche angeordnet sein, was ebenfalls zu einem ungleichmäßigen oder unregelmäßigen Unterätzen führen kann. Wenn der Wafer lediglich in seinem zu ätzenden Randbereich aufliegt, ergibt sich auch der Vorteil, daß der Bereich des Wafers (der Halbleiterscheibe), auf dem später Chips hergestellt werden sollen, nicht berührt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Dabei zeigen – jeweils in schematisierter Darstellung
1: einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
2: eine vergrößerte Darstellung eines Teilabschnitts eines Trägers mit aufliegendem Wafer vor der Ätzbehandlung
3: eine vergrößerte Darstellung eines Teilabschnitts eines Trägers mit aufliegendem Wafer nach der Ätzbehandlung.
1 zeigt eine Ätzkammer 10 mit einem kreisrunden Innenraum 12, der unterseitig von einem Boden 14 und oberseitig von einer glockenartigen Haube 16 begrenzt wird. Die Haube 16 ist lösbar auf den Boden 14 aufgesetzt.
Im Deckel 16d der Haube 16 ist eine Zuführöffnung 18 vorgesehen, in die eine (nicht dargestellte) Leitung einmündet, die ein Ätzgas, hier: HF-Gas, in den Innenraum 12 der Ätzkammer 10 führt.
Im Boden 14 sind mehrere Öffnungen 20 vorgesehen, und zwar jeweils benachbart zum Wandteil 16w der Haube 16, die der Abfuhr (Entnahme) verbrauchten beziehungsweise überschüssigen Ätzgases dienen.
Innenseitig neben den Öffnungen 20 verläuft im Boden 14 eine ringartige Vertiefung 22.
An der Innenwand der Vertiefung 22 liegt ein ringförmiger Träger 24 ein, der die Vertiefung 22 nach oben überragt und dessen plan geschliffene obere Stirnfläche 26 eine horizontale Auflagefläche für einen Wafer 28 bildet, der hier die Form einer Kreisscheibe mit dem Außendurchmesser D besitzt. Entsprechend der Form des Trägers 24 liegt der mittlere Abschnitt des Wafers 28 nicht auf dem Träger 24 auf.
Wie die Figur erkennen läßt, ist der Wafer 28 konzentrisch zum Träger 24 angeordnet und überragt den Träger 24 umfangsseitig mit gleichem Abstand.
Gegen den Außenumfang des Wafers 28 liegen mehrere Stifte 30 an, die im Bereich der Vertiefung 22 im Boden 14 fixiert sind.
Wiederum innenseitig zum Träger 24 sind ferner im Boden 14 Hubstangen 32 angeordnet, die in Pfeilrichtung P vertikal verstellbar sind und beispielsweise dazu dienen, bei vertikaler Verschiebung nach oben den Wafer 28 vom Träger 24 abzuheben, damit der Wafer 28 anschließend (nach vorheriger Abnahme der Haube 16) entnommen und durch einen neuen Wafer 28 ersetzt werden kann.
Die Funktion der Vorrichtung ist wie folgt:
Nach Einsetzen eines Wafers 28 auf den Träger 24 und Aufsetzen der Haube 16 auf den Boden 14 wird das Ätzgas über die Zuführöffnung 18 in den Innenraum 12 der Ätzkammer 10 geleitet.
Dabei umspült das Ätzgas die Oberseite 28o des Wafers 28, die Umfangsfläche 28f des Wafers 28 und zunächst den Abschnitt 28r der Unterseite 28u des Wafers 28, der seitlich über den Träger 24 vorsteht.
Entsprechend wird zunächst die Oberflächenbeschichtung des Wafers 28 in diesen Bereichen weggeätzt. Durch Diffusionsvorgänge dringt das Ätzgas in der Folge jedoch von außen in den Kontaktbereich zwischen dem Träger 24 (beziehungsweise dessen Stirnfläche 26) und den korrespondierenden Flächenabschnitt an der Unterseite 28u des Wafers 28 ein, so daß sich der weggeätzte Randbereich der Unterseite 28u des Wafers 28, wie in 3 dargestellt, radial nach innen fortsetzt, und zwar über eine Strecke x (3). Dieser Ätzprozeß wird auch „Unterätzen" genannt, weil auf der „Unterseite" des Wafers geätzt wird.
Im Verhältnis zu 2, die den Wafer 28 auf dem Träger 24 vor der Ätzbehandlung zeigt, wird deutlich, daß die Oberflächenbeschichtung 34 des Wafers 28 nunmehr auf der Oberseite 28o komplett, auf der Umfangsfläche 28f ebenfalls komplett und auf der Unterseite 28u über eine Strecke (D – d)/2 weggeätzt ist, wobei d den Außendurchmesser der nicht weggeätzten Beschichtung 34 der Unterseite 28u des Wafers 28 beziehungsweise den Innendurchmesser des weggeätzten Bereiches der Unterseite 28u des Wafers 28 beschreibt.
Das Besondere bei dem zuvor geschilderten Verfahren liegt darin, daß die Ätzung auch im Kontaktbereich zwischen Träger 24 und Wafer 28 erfolgt, und dabei gleichzeitig eine definierte Grenzlinie, hier eine exakte Kreislinie mit dem Durchmesser d, ausgebildet wird.

Claims

Verfahren zum Trockenätzen mindestens eines definierten, beschichteten, randnahen Abschnitts mindestens einer Oberfläche eines Wafers mit einem gasförmigen Ätzmedium, bei dem der Wafer so auf eine Auflagefläche eines Trägers aufgelegt wird, daß der Träger mit der Außenkontur seiner Auflagefläche die Innenkontur des zu ätzenden randnahen Oberflächenabschnitts umlaufend überragt und der Ätzprozeß so lange durchgeführt wird, bis das Ätzmedium die Beschichtung des Wafers in seinem randnahen Oberflächenabschnitt, der von der Auflagefläche des Trägers abgedeckt ist, in dem gewünschten definierten Maß weggeätzt hat.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man während des Ätzprozesses nicht verbrauchtes Ätzmedium und durch den Ätzprozess entstandene Reaktionsprodukte abzieht, neues Ätzmedium zuführt und diese beiden Verfahrensschritte so oft wiederholt, bis das Ätzmedium die Beschichtung des Wafers in seinem randnahen Oberflächenabschnitt, der von der Auflagefläche des Trägers abgedeckt ist, in dem gewünschten definierten Maß weggeätzt hat.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man den Wafer mit einem sich von seinem Umfangsrand nach innen erstreckenden randnahen Abschnitt auf einen Bereich der Auflagefläche des Trägers auflegt, der mindestens so breit ist wie der wegzuätzende randnahe Oberflächenabschnitt des Wafers.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man auf die dem Träger abgewandte Oberfläche des Wafers eine Abdeckung auflegt, die einen umlaufenden randnahen Oberflächenabschnitt des Wafers freiläßt, aber mit ihrer Außenkontur die Innenkontur des auf dieser Oberfläche des Wafers zu ätzenden randnahen Oberflächenabschnitts überragt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das nicht verbrauchte Ätzmedium und die entstandenen Reaktionsprodukte abgezogen werden, bevor ein durch den Ätzprozeß entstandenes Reaktionsprodukt auf dem Wafer kondensiert.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Ätzprozeß bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck durchgeführt wird.