DE2617483A1 - Reaktive ionenaetzung von halbleitern und metallen - Google Patents

Reaktive ionenaetzung von halbleitern und metallen

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Description

Böblingen, den 20. April 1976 bu/se 7617483
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N.Y. 10504
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: FI 974 084/975 007
Reaktive Ionenätzung von Halbleitern und Metallen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, wie es aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 hervorgeht.
Zur Herstellung von monolithisch integrierten Halbleiterschaltungen ist es erforderlich, Halbleiterbereiche abzuätzen oder aufgebrachte Metallisierungen in entsprechender Stärke an örtlich vorgegebenen Stellen abzutragen. Nachteilig bei bisher üblichen Halbleiterätzverfahren, insbesondere für Silicium istf daß das Ätzmittel nicht nur in die Tiefe wirkt, sondern auch seitwärts, so daß die Maskenränder beträchtlich unterschnitten bzw, unterätzt werden. Des weiteren sind die durch die Maskenöffnungen vorgegebenen Seitenwandungen im Halbleiter nicht senkrecht zur Halbleiteroberfläche ausgerichtet. Hierdurch entsteht ein erhöhter Platzbedarf, da dieser Effekt beim Layout berücksichtigt werden muß.
Andererseits kann, bedingt durch vielerlei Gründe, die Metallisierung bei monolithisch integrierten Halbleiterschaltungen in ihrer Stärke nicht unterschritten werden, was besonders zutrifft, wenn, wie üblich, Aluminium für die aufzubringenden Leitungszüge Verwendung findet. Allgemein wird zunächst die gesamte Halbleiteroberfläche mit der Metallisierung bedeckt, um dann anschließend mit Hilfe von Photolackverfahren das gewünschte Leitungsmuster
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herauszuätzen. Auch hier wiederum wirkt das Ätzmittel nicht allein in die Tiefe, sondern auch seitwärts, wobei dann ebenfalls keine senkrecht zur Halbleiteroberfläche ausgerichteten Metallisierungsflanken zu erzielen sind. Beim Layout ist dieser Effekt wiederum zu berücksichtigen, so daß sich auch hier der Platzbedarf entsprechend erhöht. Darüberhinaus kann die Breite der vorgesehenen Leitungszüge ein gewisses Maß nicht unterschreiten, da sonst die Haftung auf der Halbleiteroberfläche beeinträchtigt wird und eine Loslösung der Maskenschicht von der Metallisierung begünstigen würde.
Es sind weiterhin Kathodenzerstäubungsätzverfahren bekanntgeworden (USA-Patente 3 271 286, 3 474 021, 3 598 710, 3 617 463, außerdem IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 7f Nr, 5, Oktober 1964, Seiten 364 t 356 und 366) f mit denen es möglich ist, eine der Ätzwirkung analoge Wirkung zu erzielen, wobei sich dann der Vorteil ergibt, daß die verbleibenden Seitenwandungen des Abätzbereichs im wesentlichen senkrecht zur Halbleiteroberfläche ausgerichtet sind. Wenn auch hinsichtlich des beanspruchten Platzes hiermit eine wesentliche Verbesserung zu erzielen ist, dann ergeben sich doch andere Nachteile, die die erzielten Vorteile wieder ausgleichen.
Bei der Metallisierung z,B, ist der Kathodenzerstäubungsprozeß beim heute vielfach angewendeten Aluminium für die Metallisierung äußerst nachteilig, da dieses Metall nur sehr langsam zerstäubt werden kann. Diese langsame Zerstäubungsrate beansprucht einen beträchtlichen Zeitaufwand und ist teuer, da relativ dicke Maskenschichten hierzu erforderlich sind. Der Vorteil der sich dadurch ergibt, daß sich beim Zerstäuben im herausgearbeiteten Muster senkrechte Seitenwandungen ergeben, wird wieder wettgemacht durch fehlende Definition der Maskierungsmuster aufgrund der zur Erzielung der Wirkung erforderlichen Dicke. Kathodenzerstäubungsätzverfahren laufen allgemein unter Einwirken einer Atmosphäre tragen Gases ab.
In der USA-Patentschrift 3 806 365 ist ein reaktives Ionenätzverfahren beschrieben, um Photolackschichtbereiche zu entfernen. FI 974 084/975 007 6098 5 0/0903
Bei diesem bekannten Verfahren wird eine Mischung von zumindest zwei Organohalogenidverbindungen als Zerstäubungsatmosphäre vorgesehen. Jedoch sind diese Organohalogenide nicht für reaktives Ätzen von Aluminium wirksam. Es werden hierbei nämlich die gleich langsamen Raten wie bei Anwendung eines trägen Gases verzeichnet.
Auch bei Halbleiterzerstäubung liegen die Verhältnisse nicht viel anders. Hier ergibt sich ebenfalls bei Anwendung von Zerstäubungsverfahren, daß die Seitenkanten senkrecht zur Halbleiteroberfläche ausgerichtet sind und keine Unterschneidungen auftreten. Jedoch zeigt sich beim Entfernen des Materials über eine Maske eine Anzahl anderer Nachteile. Die Abtragungsrate von z,B« Silicium in einer Argon- oder ähnlichen Atmosphäre ist relativ langsam und typischerweise im Bereich von 40 bis 200 Ä/Min, Wenn auch die Ätzrate geringfügig durch Verstärken der angelegten Hochfrequenz-Leistung erhöht werden kann, so sind doch nach oben Grenzen gesetzt. Eine verstärkte Leistung ist begleitet von einer höheren Substrattemperatur, die dann ihrerseits sich zerstörend auswirkend kann. Des weiteren tritt ein Ruckstäubungseffekt auf, d,h.f es entsteht ein erneuter Niederschlag des ursprünglich zerstäubten Materials. Dieses rückgestäubte Material, das unter umständen auch noch mit anderen Materialien vermischt sein kann, stellt dann eine Kontaminationsquelle dar. Schließlich zeigt sich, daß die Ätzrate von Silicium nicht wesentlich unterschiedlich von der der hierzu verwendeten Masken ist. Das bedeutet aber, daß die Maske in dem Maße geschädigt *."ird, wie Silicium abgetragen wird. Wenn beachtliche Teile des Siliciums abgetragen werden müssen, ist die Beibehaltung der Maskenintegrität ein hochbedeutsames Problem.
Die zuvor erwähnten Zerstäubungsätzverfahren werden samt und sonders in einer Atmosphäre ausgeübt, die in der Hauptsache aus einem trägen Gas, wie z.B. Argon, Neon oder dergleichen besteht. Der Ätzvorgang erfolgt durch Ionenbombardement des Substrats über in einem elektrischen Feld beschleunigte Ionen. Das Material wird
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also abgetragen, indem durch beschleunigte Ionen Material vom Substrat buchstäblich weggeblasen wird. Isotropische Plasmaätzverfahren sind bekannt, wo reaktionsfreudige Ionen oder Atome eines hochfrequenzt angeregten Plasmas selektiv mit dem zu ätzenden Material reagieren. Beispiele von Verfahren dieser Art sind in den USA-Patentschriften 3 816 198 und 3 806 365 veröffentlicht. Wie bereits gesagt, beziehen sich die bekannten Ätzverfahren dieser Art jedoch hauptsächlich auf das Entfernen organischer Materialien, wie Photolack und dergleichen.
Das gleiche gilt für die USA-Patentschrift 3 795 557, bei der reaktives Ionenätzen einer dielektrischen Schicht unter einer Atmosphäre mit einer Mischung von Sauerstoff und einem Hologenkohlenstoff durchgeführt wird. Desweiteren ist ein Zerstäubungsätzverfahren aus einem Abstrakt eines Vortrags anläßlich des 6. Internationalen Vakuumkongresses, Kyoto, Japan, 25, bis 29, März 1974 bekannt, wo Fluor-Chlorokohlenwasserstoffe zum Zerstäubungsätzen Verwendung finden.
Bei dieser Sachlage besteht nun die Aufgabe der Erfindung darin, ein reaktives Ionenätzverfahren bereitzustellen, das bei relativ hohen Ätzraten in vorteilhafter Weise zur Bearbeitung von Metalschichten und Halbleitern Verwendung finden kann, so daß im Ergebnis Ätzfiguren bzw. Ätzmuster mit zur Bearbeitungsoberfläche senkrechten Begrenzungswänden ohne Unterschneidung bzw. Unterätzung von ggf. verwendeten Ätzmasken vorliegen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Verfahren gemäß Kennzeichen des Patentanspruchs 1 verwendet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in vorzüglicher Weise zum reaktiven Ionenätzen der Aluminiummetallisierung a^f einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung geeignet. Dies gilt in gleicher Weise für die Abtragung von Halbleitermaterial eines Substrats, insbesondere Silicium. In beiden Fällen ist die abzutragende Oberfläche mit einer Maske überzogen, in deren frei-
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liegenden Bereichen das hochfrequent angeregte Plasma einer Atmosphäre unter Vorvakuumbedingungen angreifen kann. Als Atmosphäre dient ein träges Gas zusammen mit einem dissoziierbaren Gas, ausgewählt aus der Gruppe CCl4, Cl2, Br3, I2 und HCL, um zur Reaktion Chlor, Brom, Jod und/oder Radikale freizugeben, die derartige Halogene enthalten.
Weitere Vorteile der Erfindung bzw. zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Anhand einer Ausführungsbeispielsbeschreibung wird die Erfindung mit Hilfe der unten aufgeführten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen;
Fig. 1 teilweise im Querschnitt den Aufriß der Apparatur zum reaktiven Ionenätzen gemäß der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement
mit eine Aluminiummetallisierung, die teilweise gemäß der Erfindung abgetragen istf
Fign, 3, 4 u. 5 Querschnittsausschnitte eines Siliciumsubstrats,
jeweils nach einem unterschiedlichen Verfahrensablauf.
Hochfrequente Kathodenzerstäubungsverfahren, sowohl zum Niederschlagen von Filmschichten als auch zum Abätzen von Schichtbereichen nutzen den charakteristischen Unterschied zwischen Elektronen- und Ionenbeweglichkeit. Die Frequenz der angelegten Hochfrequentenspannung ist größer als die Plasma-Ionenresonanzfrequenz im Entladungsraum, jedoch geringer als die Plasma-Elektronenresonanzfrequenz. In unmittelbarer Nachbarschaft der Elektroden befinden sich Dunkelräume mit abgesetzten Ionenschich-
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ten. In grober Näherung gilt für den vorliegenden Entladungsraum das Vorhandensein eines im wesentlichen gleichen Potentials, wobei sich die zwischen den Elektroden wirksame Potentialdifferenz im wesentlichen anteilmäßig über die Dunkelräume verteilt. Weiterhin gilt, daß der Glimmlichtraum kapazitiv über die Dunkelräume mit den Elektroden gekoppelt ist und ein höheres Potential besitzt als die Elektrodenoberfläche, Daraus folgt, daß bei Schichtniederschlag durch Kathodenzerstäubung während des Periodenanteils, in dem die Targetelektrode negativ vorgespannt ist, positive Ionen über den dem Target vorgelagerten Dunkelraum hinübergezogen werden, so daß das Target durch die Ionen bombardiert wird. Die Ionen schlagen Atome aus der Targetoberfläche heraus, die sich dann auf umgebende Oberflächenbereiche ablagern, speziell aber auf zu beschichtende Substrate, die zweckmäßigerweise in Targetnähe in geeigneter Weise angebracht sind. Während des Periodenanteils, bei dem die das abzuätzende Objekt tragende Elektrode negativ vorgespannt ist, werden positive Ionen wiederum über den der zu bombardierenden Elektrode benachbarten Dunkelraum herübergezogen, so daß das bombardierte Objekt entsprechend abgetragen wird. Im zweiten Abschnitt der erwähnten Periode werden Elektronen zum betreffenden Target oder zum abzutragenden Objekt herüberzogen, wodurch die Einleitung eines Ladungsaufbaues neutralisiert wird. Durch an sich bekanntes Variieren der physikalischen Einstellungen der hochfrequenzten Spannungsquelle t der Elektroden, des Elektrodenabstands und der Elektrodenabmessung lassen sich die gewünschten Wirkungen herbeiführen, nämlich Schichtniederschlag oder Abtragen, wobei auch für eine gewisse Optimierung Sorge getragen sein kann.
Bei Schichtniederschlag ist es bekannt, in der Zerstäubungsatmosphäre Gasanteile vorzusehen, die mit dem Kathodenmaterial reagieren, so daß entsprechende chemische Verbindungen auf die zweckentsprechend im Entladungsraum angebrachten Substrate niedergeschlagen werden. Bei Anwendung eines derartigen Verfahrens lassen sich dielektrische Filme mit beachtlich schnellen
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Raten und ziemlich gleichförmig niederschlagen. Reaktives Ionenätzen wird für selektives Ätzen gewisser Materialien, wie z.B. organischer Substanzen angewendet; siehe hierzu USA-Patent 3 816 198.
Bei Herstellung von monolithisch integrierten Halbleiterschaltungen ist sowohl das Aufbringen einer Metallisierung,insbesondere aus Aluminium zur Erstellung des Leitungsmusters als auch ggf. das Abtragen bestimmter Oberflächenbereiche des Halbleiters, insbesondere Silicium von wesentlicher Bedeutung. Aluminium als Metallisierungsmaterial zeigt dabei eine Reihe von Vorteilen, nämlich es zeigt große Haftfähigkeit an den meisten dielektrischen Materialien, es vermag einen direkten ohmschen Kontakt mit dem Silicium oder den anderen Halbleitermaterialien zu bildenr es ist leicht niederzuschlagen und es erfordert keinen übermäßigen Aufwand, Nachteilig bei Aluminium ist jedoch, daß bei hohen Stromdichten dieses Metall zu Elektromigration neigt. Durch Anwenden von Aluminiumlegierungen, wie z.B, Aluminium-Kupfer läßt sich dieses Problem bis zu einem gewissen Grade abschwächen. Aus diesem Grunde ist es bei Verwendung von Aluminium für die Metallisierung bedeutsam, daß jeweils ein ausreichender Leitungszugguerschnitt vorgesehen wird, um eine Metallisierungserwärmung zu vermeiden. In hochintegrierten Halbleiterschaltungen ist zur möglichst großen Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Halbleiteroberfläche die Metallisierungsdicke vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich von 5000 bis 30 000 fi vorgesehen. Weiterhin ist es bei hohen Packungsdichten erforderlich, daß die Leitungszüge so nahe wie möglich beieinanderliegen, wobei oftmals Zwischenräume im Bereich zwischen 1,25 um bis 12,5 um vorgesehen sein können.
Wie bereits gesagt, bringt chemisches Ätzen gewisse Nachteile mit sich, die die volle Ausnutzung der Halbleiteroberflächen verhindern. Wenn die üblichen Abtragungsverfahren mit Hilfe der Kathodenzerstäubung von Aluminium in einer trägen Gasatmosphäre in jeder Beziehung mit einem bedeutsamen Aufwand
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verbunden sind, da das Aluminium in einer sehr geringen Rate, nämlich in einer Größenordnung von 15 S/Min., bei einer Energiedichte von etwa 0,2 Watt/cm abgetragen wird, wobei auch die Energiedichte in etwa gesteigert werden kann, so sind hier Grenzen gesetzt, die im wesentlichen durch die Schmelztemperatur des Aluminiums festgelegt sind. Selbst bei geringeren Temperaturen, als dem Schmelzpunkt ergeben sich schon dadurch Schwierigkeiten, daß die organische Bestandteile enthaltenden Masken bereits bei relativ niedriger Temperatur geschädigt werden können.
Mit Hilfe des gemäß der Erfindung durchgeführten reaktiven Ionenätzverfahrens bei einer Gasatmosphäre, die bei Entladung eine reaktive Ionenart zum Bombardement des Substrats freisetzt, wird eine chemische Reaktion mit der dort vorhandenen Aluminiumschicht herbeigeführtf um einen flüchtigen oder leicht zu zerstäubenden Bestandteil zu bilden. Durch einen solchen Abtragungsprozeß wird eine chemische Reaktion wirksam, die zu einer beschleunigten Ätzrate führt; wobei jedoch dieser Prozeß richtungsabhängig ist, da die durch das elektrische Feld beschleunigten, zur chemischen Reaktion beitragenden Ionen eine laterale Abtragung in Analogie zur Maskenunterätzung ausschließen, so daß sich also nahezu vertikale Böschungswände ergeben. Da viele komplexe und miteinander in Widerstreit liegende chemische Reaktionen in dem die zu ätzenden Objekte umgebenden hochangeregten Plasma auftreten können, stellt die reaktive Ionenätzung an sich einen relativ komplizierten Prozeß dar.
Dies gilt entsprechend auch für die Ionenätzung von Halbleitern, die erfindungsgemäß ebenfalls in einer Chlor-, Brom- oder Jodanteile enthaltenden Atmosphäre durchgeführt wird. Die im entsprechenden Plasma enthaltenen Atome, Ionen oder Radikale befinden sich, wie gesagt, in einem hochreaktiven Zustand, so daß sie chemisch mit den freigelegten Oberflächenbereichen des Siliciums reagieren können, wobei sich dann flüchtiges Siliciumchlorid, Siliciumbromid oder Siliciumjodid bildet. Unter den im Entladungsraum herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen sind diese Gasanteile hin-
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reichend flüchtig, um sie abziehen zu können, was wie bei der Metallisierungsätzung durch das angeschlossene Evakuierungssystem erfolgt. Auch hier wiederum, wie beim Metallisierungsätzen, lassen sich Ätzraten erzielen, die weit über denen während eines üblichen Kathodenzerstäubungsverfahrens auftretenden Ionenbombardement unter Einwirkung einer Atmosphäre liegen, die lediglich ein träges Gas enthält. Da sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Nebenprodukt ein Gas ergibt, kann auch kein Rückniederschlag erfolgen, so daß vorteilhafterweise jede Oberflächenvergiftung in abgetragenen bzw. aufgestäubten Oberflächenbereichen vermieden wird.
Für die zu verwendenden Masken lassen sich sämtliche Materialien verwenden, die höchstens geringfügig durch die reaktionsfreudigen Bestandteile des hochfrequent angeregten Plasmas, wie Chlorf Brom oder Jod angegriffen werden können. Bei Halbleiterätzung bestehen bevorzugte Maskenmaterialien aus Siliciumdioxid und Siliciumnitrid (SiO2 und Si3N4). Bei der Metallisierungsätzung lassen sich auch Photolacke und keramische Schichten, wie Al3O3 in vorteilhafter Weise verwenden. Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich nur eine minimale Maskenabnutzung.
Ganz bedeutsam für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß in der Gasentladungsatmosphäre keine Fluoratome oder daraus gebildete Radikale enthalten sind. Fluor führt nämlich zu nicht unbeachtlicher Maskenschädigung. Beim erfindungsgemäßen Abtragen von Aluminium hat sich gezeigt, daß sich flüchtige Bestandteile aus Aluminiumchlorid-, Aluminiumbromid-Verbindungen bilden, die sich ebenfalls durch das benutzte Evakuierungssystem abziehen lassen. Wie bereits gesagt, herrschen im Gasentladungsraum Vorvakuumbedingungen, d.h., ein Druck im Bereich zwischen 5 bis 300 m Torr, wobei bei der Metallisierungsabtragung vorzugsweise 5 bis 50 m Torr vorgesehen werden, wohingegen dieser Bereich bei Siliciumätzung zwischen 10 bis 40 m Torr liegt. Wie ebenfalls bereits ausgeführt, kann das reaktive Gas zusammen mit einem trägen Gas, wie Argon oder Helium die Entladungsatmosphäre bilden.
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Fig. 1 zeigt in schematischer Ansicht die erfindungsgemäße Ionenätzanordnung 10, um das erfindungsgemäße Verfahren durchziehen zu können. Die Anordnung 10 enthält einen Entladungsraum mit der Substratträgerelektrode 12, auf der die zu ätzenden Substrate in geeigneter Weise angebracht sind. Der Gasentladungsrauiri selbst besteht aus einer Bodenplatte 16, entweder aus Glas oder Metall, und einer oberen Deckplatte 20, die selbst Teil der Seitenwandung 18 sein kann oder ein getrenntes Bauelement darstellt. Vorzugsweise jedoch wird die obere Deckplatte 20 als getrenntes Bauelement von der Seitenwandung 18 getragen und besteht aus leitendem Material, Versiegelungen 22 gewährleisten vakuumsichere Verschlüsse zwischen der Wandung 18 und der Bodenplatte 16 einerseits und der oberen Deckplatte 20 andererseits. Sowohl die obere Deckplatte 20 als auch die Bodenplatte 16 liegen bei Betrieb auf Erdpotential, Die Elektrode 12 von üblicher Bauart enthält einen Elektrodenfuß 24 aus elektrisch leitendem Material und einen Isolierzylinder 26 aus dielektrischem Material, um den Elektrodenfuß 24 sowohl zu halten als auch von der Bodenplatte 16 und dem Abschirmzylinder 28 zu isolieren. Falls erforderlich, läßt sich der Elektrodenfuß 24 mit einem Kühlflüssigkeitssystem versehen, dessen wesentlicher Bestandteil die Röhre 29 des Röhrensystems ist, um die Kühlflüssigkeit aus dem hohlen Teil des Elektronenfußes 24 zu entfernen, bzw. zuzuführen. Wie durch die Teile 30 und 31 angedeutet, erfolgt die Zu- bzw. Abfuhr der Kühlflüssigkeit über entsprechende Anschlußstellen. Falls erforderlich, kann auch die Elektrode 12 mit einem Heizsystem versehen sein, indem geeignete Widerstandsheizdrähte im Bereich der Elektrodenrückseite angeordnet werden. Ein Aufheizen der Elektrode 12 ist dann vorteilhaft, wenn Aluminium oder Legierungen hiervon geätzt werden sollen. Die Substrate S ruhen auf einer Glasplatte 32 oder einer Platte aus irgend einem anderen dielektrischen Material, welche dann ihrerseits auf der Elektrode liegt. Ein Hochfrequenzgenerator 34 ist elektrisch mit dem Elektrodenfuß 24 über einem Kondensator 35 verbunden. Der Kondensator 35 verhindert, daß ein Gleichstrom-
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anteil bei HF-Anregung an der Entladungsstrecke wirksam sein kann. Die Bodenplatte 16 sowie alle anderen elektrisch leitenden Oberflächen, die auf Erdpotential liegen, dienen als zweite Elektrode im Gasentladungsraum. Der Gasentladungsraum 10 wird mit Hilfe der Vakuumpumpe 36 evakuiert. Die Prozeßgase werden dem Entladungsraum über die Einlaßstutzen 38 und 43 zugeführt. Eine jeweilige Regelung erfolgt über die Ventile 38 und 43, die den Einlaßstutzen vorgeschaltet sind. Diese sind andererseits mit den Prozeß-Gasvorratsbehältern 40 und 42 verbunden.
Mit Hilfe der Darstellung nach Fig. 2 soll nun das erfindungsgemäße Verfahren zum Ätzen einer Aluminiummetallisierung erläutert werden. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Maskenschicht 50 auf die Oberfläche der Aluminiumschicht 52 aufgebracht, Diese Aluminiumschicht 52 ist selbst durch irgend eines der bekannten Verfahren, wie Niederschlag aus der Dampfphase, Kathodenzerstäubung auf die Substratoberfläche aufgetragen. Es versteht sich, daß, wenn auch in folgendem nur von Aluminium die Rede ist, ebensogut auch Aluminiumlegierungen durch das erfindungsgemäße Verfahren in gleich vorteilhafter Weise verarbeitet werden können. So wird z.B. Kupfer in Beträgen von 1 bis 8 % dem Aluminium der Halbleitermetallisierung zugefügt, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration zu verstärken. Außerdem wird, in allerdings geringen Anteilen auch Silicium der Metallisierung zugefügt, um eine Siliciumverarmung oberflächennaher PN-übergänge zu verhindern. Das Substrat ist üblicherweise ein monokristallines Halbleitersubstrat 54, das ggf. mit einer dielektrischen Schicht 56 überzogen sein kann. Bei Herstellung monolithisch integrierter Halbleiterschaltungen enthält das Halbleitersubstrat 54 die verschiedensten aktiven und passiven Bereiche, die in der Darstellung nach Fig. 2 nicht besonders angedeutet sind, da sie selbst direkt nicht zur Erfindung gehören und in der Zeichnung, als solche nicht zur Erläuterung der Erfindung beitragend, nur die Übersichtlichkeit verschlechtern können. Der dielektrische überzug 56 besitzt hier
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gezeigte Durchbruchsöffnungen, über die Kontakte zu den oben erwähnten aktiven und passiven Bereichen im Substrat bereitgestellt werden können. Die Maskenschicht 50 wird üblicherweise mit Hilfe eines photolithographischen Verfahrens aufgebracht, um das in die Metallisierungsschicht 52 einzubringende Leitungsmuster freizulegen oder abzudecken. Die Maskenschicht 50 kann aus einem Photolack oder alternativ aus den dielektrischen Schichten SiO2, Al3O3, Si3N4 und dergleichen bestehen. Die einzige Erfordernis für die Auswahl des Materials der Maskenschicht 50 besteht darin, daß es widerstandsfähig gegenüber der reaktiven Atmosphäre im Entladungsraum ist. Die in den Entladungsraum, wie oben angegeben, eingebrachten Substrate S werden der reaktiven Ätzatmosphäre mit einem Gasanteil, wie CCl4, HCl, Cl3, CDr4, HBr, Br2, I2 ausgesetzt. Die Gasentladungsatmosphäre besitzt einen relativ niedrigen Druck in typischer Weise im Bereich von 5 bis 50 m Torr, Die Entladungsatmosphäre kann zu 100 % aus einem der jeweils oben erwähnten Gase bestehen oder diese nur zu einem gewissen Anteil enthalten, wobei der übrige Teil der Atmosphäre dann aus einem trägen Gas besteht. Vorzugsweise ist der Partialdruck eines der oben erwähnten Chlorid- oder Bromidgase, nicht geringer als 10 %, Ein bevorzugter Paratialdruckbereich für den reaktiven Gasanteil liegt zwischen 10 bis 85 %; wobei besonders vorteilhaft ein Partialdruck von 20 % ist. Wenn die Erfindung zur Metallabtragung auch unter Anwendung eines hochfrequenten Entladungsfeldes beschrieben wird, so versteht sich, daß ohne weiteres auch eine Gleichspannungsentladung ausgenutzt werden könnte, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Ganz allgemein gilt, daß in Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die der Elektrode zugeführte Leistung ausreichend hoch sein muß, so daß die Substrattemperatur den Dampfdruck des Aluminiumchlorids, Aluminiumbromids oder Aluminiumjodis oberhalb ihrer jeweiligen Suplimationsdrücke beizubehalten vermag, wie noch weiter ausgeführt wird. Die Energiedichte
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liegt im allgemeinen im Bereich zwischen 0,1 bis 2 Watt pro
2
cm , jedoch vorzugsweise im Bereich zwischen 0,2 bis 0,4 Watt
pro cm der Elektrodenoberfläche. Während des Abtragungsvorgangs werden die Elektrode 12 und die ihr zugeordneten Bauelemente sämtlich mit positiven Ionen bombardiert. Bei Durchführung des Prozesses reagieren die reaktiven Ionen außerdem auch mit den freiliegenden bzw. nichtmaskierten Bereichen der Schicht 52,
In unmittelbarer Nachbarschaft des Substrats existieren hochangeregte Chlor-, Brom-, Jod- oder Komplexionen hiervon, in Abhängigkeit von der Natur des reaktiven Gases. Aluminium und die Chlor-, Brom- oder Jodionen reagieren so miteinander, daß sich Aluminiumchlorid, Aluminiumbromid oder Aluminiumjodid bildet. Da der Dampfdruck dieser speziellen Verbindungen ihre jeweiligen Supliraationsdrücke übersteigt, verdampfen die so gebildeten Verbindungen in die Gasatmosphäre, die wie üblich abgezogen wird. Dies hat zur Folge, daß die jeweiligen Oberflächen relativ frei von Substanzen sind, die sonst die Bombardementwirkung verhindern könnten. Dies bedeutet dann, daß die reaktiven Ionenätzraten wesentlich höher liegen im Vergleich zu den sonst bei Zerstäubungsverfahren erzielten Werten in träger Atmosphäre, Als besonderer Vorteil gegenüber bisher zeigt sich, daß, wie in Fig, 2 angedeutet, die erzielten Böschungen 58 der Metallisierungsstreifen im wesentlichen senkrecht sind.
Reaktive Ionenätzraten in der Größenordnung von 6000 S/Min, lassen sich unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Aluminiumfilmen erzielen, wobei der Druck der Gasentladungsatmosphäre 20 m Torr beträgt und die Atmosphäre selbst aus 80 % Argon und 20 % CCl. besteht und die Energiedichte 0,4 Watt pro
2
cm aufweist.
Anhand der Fign, 3, 4 und 5 soll nun die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abtragen von Silicium im einzelnen erläutert werden. Auch hier wiederum wird eine Maskenschicht 50 auf ein Siliciumsubstrat 54 aufgetragen. Es ver-FI 974 084/975 007 Λ Λ Λ Λ ,. A ,
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steht sich, daß das Siliciumsubstrat 54 verschiedene Zonen zur Bildung aktiver und passiver Bereiche enthalten kann. Die Maskenschicht 50 besteht vorzugsweise aus SiO- oder Si3N4 oder gar aus einer zusammengesetzten Schicht aus zwei oder mehr Materialarten. Eine bevorzugte Schichtstruktur für den hier vorliegenden Zweck besteht aus einer unteren, relativ dünnen Schicht 53 aus SiO- und einer darüberliegenden Schicht 55 aus Si3N4. Eine Photolackschicht 57 wird auf die Maskenschicht 50 aufgetragen, exponiert und entwickelt, um so ein geeignetes Muster zu bilden, daß die einzubringenden Löcher und Ausnehmungen im Substrat 54 definiert. Die exponierten Bereiche der Maskenschicht 50 werden mit Hilfe üblicher Abtragungsverfahren entfernt, ebenso wie die Photolackschicht 57 (Fig. 4). Das maskierte Substrat 54 wird dann auf die Elektrode 12 im Entladungsraum angebracht. Die Chlor r Brom oder Jod enthaltende Atmosphäre wird in den Gasentladungsraum 10 eingeführt und der Hochfrequenzgenerator 34 eingeschaltet. Bei der dann einsetzenden Entladung werden die freiliegenden Oberflächenbereiche des Substrats 54 durch die reaktiven Ionen bombardiert, um mit Silicium zur Bildung der Ausnehmungen bzw, Löcher 6O zu reagieren. Auch hier wiederum sind die Böschungswände im wesentlichen senkrecht und keine Maskenunterätzung bzw, -unterschneidung läßt sich feststellen.
Dient das erfindungsgemäße Verfahren dazu, Ausnehmungen im Silicium zur Aufnahme einer Oxidisolation bereitzustellen, dann wird das Substrat 54 anschließend einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt, um das freiliegende Silicium mit Sauerstoff reagieren zu lassen. Bei dieser Anwendung verhindert die Maskenschicht eine Oxydation der bedeckten Oberflächenbereiche des Substrats 54. Andererseits werden dann Oxidbereiche für die elektrische Isolation im Substrat 54 gebildet.
Wie gezeigt, läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Bildung von Ausnehmungen im Siliciumhalbleiter heranziehen. Neben der Bildung von Ausnehmungen, die mit dielektrischem Material zur Bildung dielektrischer Isolation ausgefüllt werden sollen, lassen
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sich auch ausgewählte Bereiche polykristalliner Siliciumschichten abtragen, die zur Leitungszugmetallisierung dienen oder als Maske für Ionenimplantation auf der Oberfläche eines Halbleiters vorgesehen sind; auch Durchbohrungen eines Substrats können unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingebracht werden. Ganz allgemein besitzt das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber bisher üblichen chemischen Ätzverfahren den großen Vorteil, daß keine Ätzvorzugsrichtung aufgrund einer vorliegenden Kristallorientierung wirksam bzw. bedeutsam ist oder sein kann.
Zur Siliciumabtragung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen einige Durchführungsbeispiele anhand der Prozeßparameter im einzelnen behandelt werden,
Beispiel I
Ein Satz monokristalliner Siliciumhalbleiterscheiben mit einer [100]-0berflächenkristallorientierung wird oxydiert, um eine Siliciumoxidschicht mit einer Dicke von 500 8 zu bilden, wobei die Dickeneinhaltung mit Hilfe eines Spektrophotometrieverfahrens überwacht wird. Mit Hilfe üblicher Masken-, Photolithographie- und Ätztechniken wird eine Anzahl von öffnungen in die Oxidschicht eingebracht. Dieser Halbleiterscheibensatz wird dann in eine Gasentladungskammer, wie oben ausgeführt, eingebracht, um sie der reaktiven Gasentladungsatmosphäre auszusetzen. Die reaktive Atmosphäre besteht aus einer Mischung von Argon und CCl., wobei der Partialdruck des Argon 10 m Torr, der Paritaldruck des CCl.-Gases 5 m Torr und der Gesamtdruck also 15m Torr beträgt. Der Hochfrequenzgenerator ist auf eine Leistungsabgabe von 200 Watt eingestellt. Die errechnete Energiedichte ergibt sich zu 0,33
2
Watt/cm . Der reaktive Ionenabtragungsvorgang wird für 25 Minuten zur Einwirkung gebracht, um dann anschließend die Halbleiterscheiben zur Messung sowohl der Ausnehmungen im Silicium als auch der verbleibenden Tiefe der Siliciumdioxidmaskenschicht zu entfernen. Die Ausnehmungstiefe wird gemessen und registriert. Zudem wird eine Rasterelektronenmikroskopphotographie der Halbleiterscheiben erstellt. Rechnerisch ergibt sich für die Siliciumabtra-FI 974 084/975 007
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gungsrate ein Wert von 1100 Ä/Min., wohingegen die Maskenabtragungsrate sich zu 180 S/Min, ergibt. Die Meßergebnisse zeigen, daß die Böschungen im wesentlichen senkrecht verlaufen und daß keine Maskenunterschneidungen bzw. -ätzungen auf der Rasterelektronenmikroskopphotographie festzustellen sind. Die relativen Abtragungsraten des Siliciums und der Siliciumdioxidmaske zeigen, daß der erfindungsgemäße Prozeß als äußerst günstig zum Abtragen von Silicium aus vorgegebenen Bereichen der monokristallinen Halbleiterscheiben anzusehen ist.
Beispiel II
Das gleiche Verfahren wie im Beispiel I wird durchgeführt mit der Ausnahme, daß die zugeführte hochfrequente Leistung 260 Watt be-
2 trägt, wobei sich eine Energiedichte von 0,43 Watt/cm einstellt.
Es zeigt sich, daß hiermit die Abtragungsrate des Siliciums auf 1600 S/Min, erhöht wird. Die Abtragungsrate der Maske beträgt angenähert 200 £/Min.
Beispiel III
Wiederum wird ein Satz monokristalliner Siliciumhalbleiterscheiben ausgewählt und die Maske mit Hilfe eines Oxidationsverfahrens, wie im Beispiel I beschrieben, aufgebracht. Der erfindungsgemäße Prozeß selbst wird in einer Entladungsatmosphäre, bestehend aus einem HCl-Gas, bei einem Druck von 30 m Torr durchgeführt. Die zugeführte hochfrequente Leistung wird auf 400 Watt erhöht, so
daß sich eine Energiedichte von 0,66 Watt/cm ergibt. Der Abtragungsvorgang wird für 20 Minuten zur Anwendung gebracht. Es zeigt sich, daß die Abtragungsrate für Silicium in dem durch die HCl-Atmosphäre bedingten Plasma zu 1900 S/Min, einstellt. Die Abtragungsrate der Siliciumdioxidmaske liegt angenähert um eine Größenordnung niedriger als die Abtragungsrate für Silicium.
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_ α η _
Beispiel IV
Zwei getrennte Siliciumhalbleiterscheibensätze werden ausgesucht und, wie für Beispiel I beschrieben, mit Maskenüberzügen versehen. Beide Sätze werden in gleicher Atmosphäre dem AbtragungsVorgang ausgesetzt, indem ein Partialdruck von 5 m Torr für CCl. und 10 m Torr für Argon vorgesehen wird. Jeder Halbleitersatz wird aber dem Abtragungsvorgang bei unterschiedlichen Hochfrequenzleistungen ausgesetzt. Die sich ergebenden Ätzraten für Silicium werden ermittelt. Die Resultate sind folgender Tabelle zu entnehmen :
HF-Leistung Energiedichte Siliciumätzrate in R/Min. 180 Watt 0,30 Watt/cm2 1100
360 Watt 0,59 Watt/cm2 2400
Es ist anzunehmen, daß auch andere Atmosphären als diejenigen, die in den Beispielen genannt sind, in gleicher Weise brauchbar sind, z,B, Cl2, von dem vorausgesetzt werden kann, daß es im Plasma wie folgt reagiert:
Si + 2CL2 -+SiCl4 f
Außerdem ist anzunehmen, daß Br3, I2 und Brom- und Jodverbindungen, die den Chlorverbindungen analog sind, welche sich als äußerst erfolgreich zur Durchführung der Erfindung herausgestellt haben, ebensogut für die reaktive Ionenätzungatmosphären geeignet sind, da der Reaktionsmechanismus gemäß nachstehender Formel verlaufen sollte;
Si + 2Br2-+ SiBr4
Jedoch muß bei Anwendung von Brom- und Jodverbindungen die Targetelektrode beheizt werden, da der Siedepunkt für SiCl4 bei 58 0C liegt und derjenige für SiBr4 bei 153 0C und für SiI4 bei 290 0C.
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Claims (10)

  1. - 18 -
    PATENTANSPRÜCHE
    Verfahren zum selektiven Abtragen von Metall und/oder Halbleitermaterialien mittels reaktiver Ionenätzung unter Verwendung einer Maske, bestehend aus Photolack oder dielektrischen Schichten, wie Siliciumdiocxid, Siliciumnitrid oder Aluminiumoxid, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnden Substrate einem Kathodenzerstäubungsverfahren unter Einwirkung eines Plasmas aus einer Atmosphäre unter Vorvakuumbedingungen, bestehend aus CCl., HCl, Cl3, CBr4, HBr, Br3, CI4, I2, Mischungen und Verbindungen hiermit bei Vermeidung von Fluor- und Fluorverbindungszusätzen ausgesetzt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1f dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladung zur Bereitstellung des Plasmas mit Hilfe einer Hochfrequenzentladung durchgeführt wird«
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2f dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma zusätzlich einen Edelgasanteil, insbesondere Helium und Argon, mit einem Partialdruck mit Werten zwischen 10 bis 85 % als Zusatz erhält.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtdruck im Bereich zwischen 5 bis 30 m Torr liegt,
  5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4f dadurch gekennzeichnet, daß die Energiedichte zur Erzeugung der Glimm-
    2 entladung in den Bereich zwischen 0,1 bis 2 Watt/cm ,
    2 insbesondere auf Werte zwischen 0,2 bis 0,4 Watt/cm des Substrats eingestellt wird.
  6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der reaktive Gasanteil der Gasentladungsatmosphäre in Form von CCl4 zugeführt wird,
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  7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abtragen von Aluminium ein Gesamtdruck der Gasentladungsatmosphäre von 20 m Torr eingestellt wird, wobei die Zusammensetzung der Atmosphäre durch Zuführen von 80 % Argon und 20 % CCl- bereitgestellt wird und die
    2
    Energiedichte auf 0,4 Watt/cm eingestellt wird.
  8. 8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6 zur Halbleiterabtragung, dadurch gekennzeichnet, daß als zusammengesetzte Maskenschicht eine mit dem Siliciumsubstrat in enger Berührung liegende Siliciumdioxidschicht mit darüberliegender Siliciumnitridschicht verwendet wird.
  9. 9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, da.ß die Energiedichte auf Werte zwischen 0,3 bis 0,7
    2
    Watt/cm des Substrats und daß der Partialdruck von CCl4 auf 33 % des Gesamtdrucks eingestellt werden, wobei Argon für den restlichen Partialdruck bereitgestellt wird.
  10. 10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet zur Verwendung bei der Herstellung von monolithisch integrierten Halbleiterschaltungen.
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