DE2727788C2 - Verfahren zum Herstellen eines Musters in einer Oberflächenschicht eines scheibenförmigen Körpers - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Musters in einer Oberflächenschicht eines scheibenförmigen Körpers

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Description

65
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Musters in einer Oberflächenschicht eines scheibenförmigen Körpers, bei dem die das Muster ergebenden Teile der Oberflächenschicht des scheibenförmigen Körpers durch eine Photolackmaske bedeckt und die von der Photolackmaske nicht bedeckten Teile der Oberflächenschicht durch Ätzen mittels eines in einer Gasatmosphäre niedrigen Drucks erzeugten Plasmas unter Bildung eines Randprofils des Musters abgetragen werden.
Ein Verfahren dieser Art ist aus der US-PS 37 95 557 bekannt und wird beispielsweise bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen angewendet
Das Plasmaätzverfahren hat den bekannten Naßätzverfahren gegenüber den Vorteil, daß das Unterätzen des Körpers unter die Maskenränder und zwangsläufig auch der durch die Unterätzung bestimmte Verlauf des Randprofils vermieden werden kann. Sowohl beim Plasmaätzverfahren, bei dem keine Unterätzung aufzutreten braucht, als auch beim Naßätzverfahren, bei dem ein kreisbogenförmiges Randprofil auftritt, kann das Randprofil am oberen Ende jedoch einen rechten Winkel aufweisen, was den Nachteil hat, daß bei einem folgenden Aufbringen von Schichten, aus denen z. B. Leiterbahnen gebildet werden sollen, an den scharfen Kanten Unterbrechungen oder andere Unstetigkeiten auftreten können.
Aus FR-OS 22 41 876 ist ein Naßätzverfahren zur Strukturierung einer SKVSchicht bekannt, bei welchem Profile mit schrägen Kanten erhalten werden können, die an oberen Ende keine scharfen Kanten aufweisen. Ein Nachteil dieses Naßätzverfahrens ist jedoch, daß leicht eine Verunreinigung des zu ätzenden Körpers durch die Ätzflüssigkeit auftreten kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Musters in einer Oberflächenschicht eines scheibenförmigen Körpers durch Ätzen mittels eines Plasmas der eingangs angegebenen Art derart auszubilden, daß scharfe Kanten am oberen Ende des beim Ätzen entstehenden Randprofils und damit die von diesen verursachten Nachteile wenigstens in erheblichem Maße vermieden werden.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß durch die Photolackmaske Oberflächenteüe bedeckt werden, deren Abmessungen in lateraler Richtung die gewünschten Abmessungen des herzustellenden Musters um die Breite eines Randstreifens konstanter Breite übertreffen, daß die Reaktionsbedingungen für die Plasmaätzung derart gewählt werden, daß die Photolackmaske in lateraler Richtung schneller als die von der Photolackmaske nicht bedeckten Teile der Oberflächenschicht des scheibenförmigen Körpers abgetragen wird, und daß das Muster durch Ätzen mittels eines Plasmas unter diesen Reaktionsbedingungen erzeugt wird.
Mit dem Verfahren nach der Erfindung können durch ein Plasmaätzverfahren, das oft einem Naßätzverfahren vorzuziehen ist, Muster mit gleichmäßig schrägen Rändern erhalten werden. Die Abschrägung des Randprofils kann aufgrund dessen, daß der Sinus des Winkels «, den die Abschrägung des Randes mit der Oberfläche des Musters bildet, gleich dem Verhältnis der Ätzgeschwindigkeit der Oberflächenschicht zu der der Photolackmaske ist, durch Wahl dieser Ätzgeschwindigkeit bemessen werden. Es ist auch von Vorteil, daß sich der Winkel« an den Oberflächen des Musters relativ rasch einstellt und das schräge Randprofil am unteren Ende kreisbogenförmig ausläuft
Läßt sich eine Oberflächenschicht des Körpers
selektiv in bezug auf den darunterliegenden Teil ätzen, so breitet sich die Abschrägung des Randes nach dem Durchätzen der Oberflächenschicht über die ganze Schichtdicke aus.
Beim Ätzen von Schichten versteht man unter gewünschten Abmessungen die Abmessungen am Fuß der geätzten Schicht Vorzugsweise vvird eine auf den scheibenförmigen Körper aufgebrachte und dessen Oberflächenschicht bildende Schicht der Dicke D durch eine in bezug auf den scheibenförmigen Körper selektive Ätzung durchgeätzt und die Breite b des Randstreifens der Oberfläche dieser Schicht, den die Photolackmaske über die gewünschten Abmessungen des aus dieser Schicht herzustellenden Musters hinaus bedeckt, wenigstens gleich dem Wert des Produkts D ■ tga gewählt, wobei α den Winkel bedeutet, den die Abschrägung des Randprofils mit der Oberfläche der Schicht auf der dem scheibenförmigen Körper zugewandten Seite bildet Wird die Breite b des Randstreifens wenigstens gleich dem Wert des Produktes D · tga gewählt kann das Verfahren nach der Erfindung in einer minimalen Zeit ausgeführt werden. Auf diese Weise kann in verhältnismäßig kurzer Zeit ein nahezu konstanter Neigungswinkel über das gesamte Randprofil erreicht werden. Dabei ist darauf zu achten, daß die Photolackschicht nicht vor Beendigung des Ätzprozesses durchgeätzt ist
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung wird die Dicke d der Photolackmaske wenigstens gleich dem Quotienten
gewänlt· wobei D die Dicke einer auf den scheibenförmigen Körper aufgebrachten und dessen Oberflächenschicht bildenden Schicht und « den Winkel bedeuten, den die Abschrägung des Randprofils mit der Oberfläche der Schicht auf der dem scheibenförmigen Körper zugewandten Seite bildet.
Im allgemeinen wird bei Beendigung des Ätzens noch eine Photolackmaske erheblicher Dicke auf der Oberfläche zurückbleiben. Diese nach dem Ätzen vorhandene Photolackmaske wird in vorteilhafter Weise durch eine sich an das Ätzen anschließende Plasmaeinwirkung unter entsprechend abgeänderten Reaktionsbedingungen entfernt Die Photolackmaske läßt sich so leicht und vollständig entfernen.
Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung können bekannte Arbeitsweisen des Ätzens mittels eines Plasmas verwendet werden.
So wird bekanntlich Photolack in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre entfernt und eine zu ätzende Schicht aus polykristallinem Silizium oder Siliziumnitrid in einer z. B. wenigstens ein Halogen enthaltenden Atmosphäre geatzt
Die Ätzgeschwindigkeit der Photolackmaske und die der Oberflächenschicht des Körpers kann durch das Verhältnis der Konzentrationen von Sauerstoff und wenigstens einem Halogen in der Gasatmosphäre gesteuert werden.
Damit ist eine schnelle Regelung des Verhältnisses der Ätzgeschwindigkeiten möglich, die z.B. nützlich sein kann, wenn eine nicht konstante Abschrägung des Randprofils gewünscht wird.
Das Verhältnis der genannten Ätzgeschwindigkeiten kann auch durch_die Temperatur des Plasmas gesteuert werden.
Die Aktivierungsenergie zum Entfernen des Photolacks ist oft größer als die zum Ätzen. Durch eine Temperaturerhöhung kann man z.B. am Ende des Ätzverfahrens an der Oberfläche des Körpers noch eine gewisse Abrundung bekommen.
Das Verfahren nach der Erfindung wird mit den folgenden Beispielen anhand der Zeichnung erläutert Es zeigen
FIg. 1 und 2 schematisch im Querschnitt einen Teil eines Halbleiterbauelementes nach verschiedenen Schritten seiner Herstellung mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung.
Die Teile 5 einer zu ätzenden Oberflächenschicht eines Körpers 1 werden mit einer Photolackmaske 6 versehen — vgl. F i g. 1 — und nicht von der Photolackmaske 6 bedeckte Teile 7 der Oberflächenschicht werden mittels eines Plasmas, das in einer Gasatmosphäre aufrechterhalten wird, geätzt Durch ein solches Ätzverfahren kann ein Muster mit gewünschten Abmessungen erhalten werden.
Die Abmessungen der mit der Photolackmaske 6 zu versehenden Teile 5 der Oberflächenschicht werden so gewählt daß sie die gewünschten Abmessungen des zu erhaltenden Musters um die Breite eines Randstreifens 8 konstanter Breite übertreffen; vergleiche F i g. 2.
Dabei werdtn die Reaktionsbedingungen, unter welchen das Ptasmaätzverfahren stattfindet derart gewählt, daß die Photolackmaske 6 in lateraler Richtung schneller als die unbedeckten Teile 7 der Oberflächenschicht des Körpers 1 durch das Plasma angegriffen wird.
Das Ätzen wird fortgesetzt bis die gewünschten Abmessungen des Musters erreicht sind.
Wenn dabei eine auf dem scheibenförmigen Körper 1 befindliche Schicht 4 der Dicke D in bezug auf den scheibenförmigen Körper selektiv geätzt wird, wird die Breite b des Randstreifens 8 wenigstens gleich D ■ tga gewählt, öl bedeutet den Winkel, den die Abschrägung des Randprofils mit der Oberfläche der Oberflächenschicht 4 an der dem scheibenförmigen Körper 1 zugewandten Seite bildet; vergleiche F ι g. 2.
Die Dicke d der Photolackmaske 6 wird wenigstens gleich dem Quotienten aus der zweifachen Dicke D der zu ätzenden Oberflächenschicht 4 und dem Sinus des doppelten Winkels α gewählt.
Das Ergebnis des Ätzens ist in F i g. 2 dargestellt. Mit 3 ist die Abschrägung des Randprofils bezeichnet, die einen Winkel α mit der Oberfläche der Oberflächenschicht 4 an der dem scheibenförmigen Körper 1 zugewandten Seite einschließt. Für diesen Winkel gilt sin α = —, worin R die Ätzgeschwindigkeit der
Oberflächenschicht 4 bzw. des Körpers 1 und r = die Ätzgeschwindigkeit der Photolackmaske 6 bedeuten.
Das zum Ätzen verwendete Plasma wird auf bekannte Weise dadurch erhalten, daß eine in einem Gefäß befindliche Gasatmosphäre niederen Druckes (0,27 bis 6,65 mbar) einem kapazitiv oder induktiv erzeugten Hochfrequenzfeld ausgesetzt wird.
In das Gefäß strömt ein Gasgemisch, das Sauerstoff und Halogen und gegebenenfalls ein Trägergas wie Argon oder Stickstoff enthält Sauerstoff und Halogen können als solche oder das Halogen auch als eine Verbindung wie CF4, CClF3, C2F6, C3F8 C2ClF5 anwesend sein.
Das Verhältnis der Ätzgeschwindigkeit der Photolacknaske 6 zu der der Oberflächenschicht 4 kann, wie oben schon angeführt, durch das Verhältnis der Konzentrationen des Sauerstoffes und des Halogens im Ätzgefäß gesteuert werden. Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß man die Gase über Nadelventile und
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Durchflußmesser im gewünschten Verhältnis in das Gefäß einströmen läßt. Vorher wird das Gefäß evakuiert auf einen Druck von etwa 0,133 mbar, und der ' zu ätzende Körper mit der Photolackmaske 6 wird bei etwa 2,66 mbar in einem Stickstoff-Plasma bis etwa 120° C aufgeheizt.
Anschließend wird wieder bis 0,133 mbar evakuiert, es wird ein Gasgemisch von molekularem Sauerstoff und Tetrafluorkohlenstoff eingelassen, und es wird mit einer HF-Leistung von etwa 100 Watt bei etwa 0,67 mbar geätzt.
Das Plasmaätzverfahren zum Herstellen eines Musters mit einer Abschrägung des Randprofils kann z. B. verwendet werden, um Leiterbahnen aus einer Schicht aus polykristallinem Silizium zu ätzen, oder um in einer Siliziumnitridschicht Öffnungen für die Kontaktierung darunterliegender Schichten zu ätzen.
In der nachfolgenden Tabelle sind die Abschrägungen der Randprofile zusammengestellt, die erhalten werden beim Plasmaätzen von Schichten aus polykristallinem Silizium oder Siliziumnitrid, in Abhängigkeit des Anteils von Sauerstoff in bezug auf Tetrafluorkohlenstoff, in einem Ätzgasgemisch.
Tabelle
Abschrägung der Randprofile
Erwünschtenfalls kann eine große Anzahl von Körpern, z. B. 30 oder mehr, gleichzeitig geätzt werden.
Ein Beispiel des Ätzens von Schichten aus polykristallinem Silizium mit einem Winkel «=45° zeigen z.B. folgende Werte:
D=0,5 μπι, 6=0,5 μΐη, c/= 1,0 μηι,
Λ= etwa 0,1 μτη/min und r= etwa 0,15 μηι/min.
to
15
Verhältnis der
Gasmengen O2/CF4
polykristallines
Silizium
250/675
300/600
375/550
450/500
65°
30°
10°
Die genannten Schichten befanden sich auf einem Substrat aus einer mit einer Siliziumoxidschicht versehenen Siliziumscheibe.
Die Schichten aus polykristallinem Silizium und Siliziumnitrid wurden selektiv in bezug auf die Siliziumoxidschicht (etwa 5- bis 20mal rascher) geätzt Bei den erwähnten Versuchen wurde eine Siliziumscheibe von 5 cm Durchmesser verwendet
Bei Siliziumnitridschichten, die mit gleichem Winkel« geätzt werden, istz. B. P=O1I μΐτι,ό=0,1 μτη,ά=0,2μχη, R= etwa 0,035 μΐη/min und r=etwa 0,05 μηι/min. Sicherheitshalber wird oft die Dicke d der Photolackmaske um 30 bis 50% größer gewählt als ■—.
Ein nach dem Ätzen zurückbleibender Teil der Photolackmaske kann in einem hauptsächlich Sauerstoff enthaltenden Plasma rasch entfernt werden. Als Material der Photolackmaske können bekannte handelsübliche Photolacke verwendet werden, und zwar positive sowie negative Photolacke.
Die Reproduzierbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ausgezeichnet
Statt mit dem Verhältnis der Konzentrationen bzw. der Strömungsmenge der Gase kann man das Verhältnis der Ätzgeschwindigkeiten auch mit der Temperatur steuern. Umgekehrt muß man zum Erhalten eines gleichen Verhältnisses der Ätzgeschwindigkeiten bei anderer Temperatur die Konzentrationen bzw. die Strömungsmengen entsprechend anpassen.
Die Anwendungen des Verfahrens nach der Erfin-
5QO dung sind mit den vorstehenden Ausführungsbeispielen
nicht erschöpft
20° Mit dem Verfahren nach der Erfindung können z. B.
MOS-Transistoren mit aus polykristallinen! Silizium bestehenden Gate-Elektroden hergestellt werden. Außer Halbleiterbauelementen können auch piezoelektrische Bauelemente oder integrierte Magnetköpfe mit diesem Verfahren hergestellt werden.
Außer Körpern, die aus einem Substrat und einer zu ätzenden Oberflächenschicht bestehen, können auch homogene Körper in einer Oberflächenschicht, z. B. um mesaförmige Erhebungen zu erhalten, geätzt werden.
Das Verfahren eignet sich darüberhinaus zum Ätzen von Metallschichten.
Siliziumnitrid
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche;
1. Verfahren zum Herstellen eines Musters in einer Oberflächenschicht eines scheibenförmigen Körpers, bei dem die das Muster ergebenden Teile der Oberflächenschicht des scheibenförmigen Körpers durch eine Photolackmaske bedeckt und die von der Photolackmaske nicht bedeckten Teile der Oberflächenschicht durch Ätzen mittels eines in einer Gasatmosphäre niedrigen Druckes erzeugten Plasmas unter Bildung eines Randprofils des Musters abgetragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Photolackmaske (6) Oberflächenteüe (5) bedeckt werden, deren Abmessungen in lateraler Richtung die gewünschten Abmessungen des herzustellenden Musters um die Breite eines Randstreifens (3) konstanter Breite übertreffen, daß die Reaktionsbedingungen für die Plasmaätzung derart gewählt werden, daß die Photolackmaske (6) in lateraler Richtung schneller als die von der Photolackmaske nicht bedeckten Teile (7) der Oberflächenschicht des scheibenförmigen Körpers (1) abgetragen wird, und daß das Muster durch Ätzen mittels eines Plasmas unter diesen Reaktionsbedingungen erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf den scheibenförmigen Körper (1) aufgebrachte und dessen Oberflächenschicht bildende Schicht (4) der Dicke D durch eine in bezug auf den scheibenförmigen Körper (1) selektive Ätzung durchgeätzt und die Breite b des Randstreifens (8) der Oberfläche dieser Schicht, den die Photolackmaske (6) über die gewünschten Abmessungen des aus dieser Schicht herzustellenden Musters hinaus bedeckt, wenigstens gleich dem Wert des Produkts D ■ tg« gewählt wird, wobei et den Winkel bedeutet, den die Abschrägung des Randprofils (3) mit der Oberfläche der Schicht (4) an der dem scheibenförmigen Körper (1) zugewandten Seite bildet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke c/der Photolackmaske (6) wenigstens gleich dem Quotienten
s()
wählt wird, wobei D die Dicke der auf den scheibenförmigen Körper (1) aufgebrachten und dessen Oberflächenschicht bildenden Schicht (4) und α. den Winkel bedeuten, den die Abschrägung des Randprofils (3) mit der Oberfläche der Schicht (4) an der dem scheibenförmigen Körper (1) zugewandten Seite bildet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nach dem Ätzen verbleibende Photolackmaske (6) durch eine sich an das Ätzen anschließende Plasmaeinwirkung unter entsprechend abgeänderten Reaktionsbedingungen entfernt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sauerstoff und Halogen enthaltende Gasatmosphäre verwendet wird.
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