DE2800180A1 - Duennschicht-aetzverfahren durch plasmazersetzung eines gases - Google Patents

Duennschicht-aetzverfahren durch plasmazersetzung eines gases

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DE2800180A1 DE19782800180 DE2800180A DE2800180A1 DE 2800180 A1 DE2800180 A1 DE 2800180A1 DE 19782800180 DE19782800180 DE 19782800180 DE 2800180 A DE2800180 A DE 2800180A DE 2800180 A1 DE2800180 A1 DE 2800180A1
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Description

-A-
DUNNSCHICHT-ΛΤ^VERFAHREN DURCH PLASMAZERSETZUNG EINES GASES
28ÖG18Ü
Die Erfindung betrifft ein Dünnschicht-Ätzverfahren durch Plasmazersetzung eines Gases gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Derartige Ätzverfahren sind bei der Herstellung von Halbleiter-Bauelementen erforderlich, die beispielsweise aus .Silizium oder Siliziumkarbid GiC bestehen und auf denen zunächst Schutzschichten aus beispielsweise Siliziumoxyd oder Siliziumnitrid aufgebracht werden, in die dann Öffnungen eingeätzt werden.
Es kann außerdem erforderlich sein, eine dünne Schicht aus einem Halbleitermaterial selbst atzend zu bearbeiten.
Es sind zahlreiche Ätzverfahren bekannt, chemische Ätzverfahren in wässriger Phase, Ionen-Ätzverfahren mittels Kathodenzerstäubung in einem chemisch inerten Gas ohne chemische Zersetzung und chemisches Atzen in der Gasphase bei hoher Temperatur oberhalb 1000°C. Das zu ätzende Material liegt bei der Kathodenzerstäubung in Form eines festen Zielkörpers vor. Zwischen diesem Zielkörper und einem in einem Gas durch ein Hochfrequenzfeld erzeugten Plasma wird ein elektrisches Gleichspannungsfeld angelegt. Durch dieses Feld wird der Zielkörper mit Ionen bombardiert, die aus diesem Zielkörper Atome durch Kathodenzerstäubung herausreißen. Dieses Verfahren kann auch dazu benutzt werden, das Material des Zielkörpers auf ein in der Nähe des Zielkörpers angeordnetes Substrat aufzudampfen.
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Die Qualität dieser Beschichtung kann dadurch verbessert werden, daß das Substrat im Verhältnis zum Plasma elektrisch polarisiert wird, beispielsweise mit Hilfe einer Verbindung zwischen diesem Substrat und dem Zielkörper, wenn letzterer eine der leitenden Flächen bildet, zwischen denen das Hochfrequenzfeld angelegt wird, wodurch es möglich wird, das Gleichspannungsfeld durch die Hochfrequenzquelle zu erzeugen. In diesem Fall wird dio Verbindung des Substrats über eine Impedanz hergestellt, beispielsweise über einen regelbaren Kondensator, wie es m einem Artikel von OrIa Christensen und anderen ("RF biasing through capacitive collector to target couplung in RF diode sputtering" Journal of Physics E. : Scientific Instruments 1972, Vol. 5) beschrieben ist.
Schließlich sind chemische Ätzverfahren bekannt, die in Gasphase bei niedriger Temperatur durch Zersetzung eines Gases wie beispielsweise Kohlenstofftetrafluorid CF. in einem durch ein Funkfrequenzfeld erzeugten Plasma arbeiten. Diese Zersetzung ergibt sich aus dem Spalten der Moleküle durch Elektronenstöße, die im Plasma auftreten. Einer der Zersetzungsbestandteile, beispielsweise das in Ionenform vorliegende Fluor, greift die zu bearbeitende Schicht, beispielsweise Siliziumoxyd, chemisch an. Das chemische Ätzverfahren durch Zersetzung eines Gases in einem Plasma bietet den Nachteil, daß die angegriffenen Bereiche geometrisch nicht sehr präzise definiert sind. Die nicht wegzuätzenden Bereiche werden durch eine Harzschicht geschützt, in die über
•indem wegzuätzenden Bereich eine Offnung«gelassen ist. In Wirklichkeit reicht aber der weggeätzte Bereich über den Rand dieser Öffnungen hinaus und dringt mehr oder weniger weit unter die Harzschicht. Diese Erscheinung kann als "Unter-Gravur" bezeichnet werden.
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ORiQiHAL !NSPECsED ^
Ein anderer Nachtail dieses bekannten Verfahrens besteht in der geringen Atzgeschwindigkeit. Man kann diase Geschwindigkeit etwas erhöhen, indem der Gasdruck vergrößert wird, jedoch kommt es dabei zu einem ablösen der .jchut^harzschicht, da diese durch Elektronenbeschuß erwärmt wird. In der Praxis kann eine annehmbare Auflösung von etwa 0,1 Mikron nur dann erreicht werden, wenn eine Ätzgeschwindigkeit von nicht mehr als 20 bis 30 A pro Minute gewählt wird.
Die französische Patentschrift Hr. 2 253 280 beschreibt ein Ätzverfahren durch Zersetzen eines Gases in einem Plasma. Hierbei soll sowohl eine hohe Ätzgeschwindigkeit als auch eine präzise i\uflösung der beätzten Bereiche erreich!: werden. Man verwendet hierzu eine negative Polarisierung des Substrats im Verhältnis zum Plasma. Diese Polarisierung ergibt sich daraus, daß eine der Hochfrequenzgeneratorklemmen an das Substrat angeschlossen wird. Jedoch kann mit diesem Verfahren nicht der weiter oben angeführte Nachteil der geringen Ätzgeschwindigkeit behoben werden. Außerdem ist es offensichtlich bei diesem Verfahren schwierig, das negative Potential des Substrats geeignet zu wählen, da dieses sich aus dem Anlegen einer Elochfrequenzspannung ergibt, die so gewählt werden muß, daß sich ein geeignetes Plasma bildet.
Die Erfindung gemäß Hauptanspruch löst daher die Aufgabe, ein Dunnschichtätzverfahren durch Plasmazersetzung eines Gases zu schaffen, mit dem sowohl eine hohe Ätzgeschwindigkeit als auch eine präzise geometrische Begrenzung der beätzten Bereiche erreicht werden kann. Bezüglich bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.
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-r- 2cC-.".'oü
Λη Hand der beiliegenden Figuren wird das erfindungsgemäße Verfahren nachfolgend näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Kathodenzerstäubungsgehäuse, in dem das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild für das Hochfrequcnzspeisesystern, das mit dem Gehäuse aus Fig. 1 zusammenwirkt.
Die Substrata 2 bestehen aus oxydiertem Silizium, d.h. aus Silizium, das mit einer beispielsweise 0,3 /U dicken siliziumoxydschicht bedeckt ist. Um an das Silizium gelangen zu können, müssen in diese Schicht Öffnungen eingearbeitet werden. Hierzu v/ird die Schicht zuvor mit einem lichtempfindlichen Harz herkömmlicher Art mit einer Dicke von etwa 0,5 bis 1 Mikron eingestrichen, Diese Harzschicht wird mit: Ultraviolett-Licht durch eine Fotogravurmaske belichtet, so daß diese Harzschicht außer an den Bereichen, die durch die Maske abgedeckt sind, polymerisiert wird. Das nichtpolymerisierte Harz wird anschließend in einem Entwicklerbad entfernt; anschließend werden die Substrate während einer Stunde auf 135°C gehalten, um die Harzschicht widerstandsfähig zu machen.
Die Substrate 2 werden auf eine dünne Scheibe 3 gelegt, die ihrerseits auf einem Substrathalter 4 aus Kupfer ruht, der ohne elektrischen Kontakt in einer einen Potentialring bildenden Metallschale 5 liegt. Die Scheibe 3 ist beispielsweise 2 mm dick und verhindert nicht den elektrischen Hochfrequenzkontakt zwischen dem Substrathalter 4 und dan Substraten 2. Die Funktion dieser Scheibe besteht darin, die chemische Verunreinigung der Substrate durch den Substrathalter zu vermeiden. Die Schale 5 liegt auf einem horizontal angeordneten Sockel 6 aus rostfreiem Stahl, der
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ORIGINAL INSPECTED
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eine an die Masse angeschlossene leitende Fläche und den Boden eines Kathodanzerstäubungsgehäuses bildet. Dieses Gehäuse enthält außerdem eine Glocke 8 aus rostfreiem Stahl, die auf dem Sockel 6 vollkommen dicht befestigt ist. Über den Substraten 2 und innerhalb der Glocke ist eine Zielelektrode 11 angeordnet, die in Form einer horizontalen Scheibe aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 15 cm und einer Stärke von 5 mm vorliegt und eine Zielelektrode bildet, auf der eine Quarzplatte 10 mit 4 mm .'Stärke befestigt ist. Diese Zielelektrode wird von allen Seitei^ ausgenommen der den Substraten 2 gegenüberliegenden Seite,durch einen metallischen Potentialring 12 umgeben, der elektrisch mit dem ,'jockel G verbunden ist. Die Zielelektrode 11 ist von diesem Potentialring isoliert und an eine erste Klemme eines Hochfrequenzgenerators 14 angeschlossen. Eine Massenklemme steht mit dem Sockel 6 in Verbindung. Dieser Generator hat eine Frequenz von 13,56 MIIz und eine Leistung von 1 kW.
Der Sockel 6 ist mit einer Öffnung großen Durchmessers versehen, an die ein Stutzen 16 ebenfalls großen Durchmessers angeschlossen ist; in der Praxis ist der Durchmesser noch größer als dargestellt. Der Stutzen 16 führt zu einer Öldampfdiffusionspumpe, die ihrerseits an eine Flügelpumpe angeschlossen ist, deren Λusgangsöffnung in die Atmosphäre führt.
Die Substrate 2 sind über den Substrathalter 4 elektrisch mit einer dritten Ausgangsklemme des Generators 14 verbunden, die im Verhältnis zur Masse eine Hochfrequenzspannung liefert, deren Amplitude kleiner als die der an die Scheibe 11 angelegten Spannung ist.
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O P Π ■""'■ "> -■ Γ· q ZoU.- ij U
Der Generator 14 wird in Fig. 2 dargestellt. Er umfaßt eine Hochfrequenzquelle 100, deren Ausgangsleistung durch ein Wattmeter 102 gemessen wird. Der Ausgangsstrom fließt über ein Äbgleichnetz 1O4, das einen regelbaren Kondensator 106 parallel und eine regelbare Induktanz lOO in Reihe mit einem Kondensator 110 enthält und die erste und zweite Ausgangsklemme des Generators speist, die mit der Metallscheibe 11 bzw. mit der Masse verbunden sind. Über einen regelbaren Kondensator 112 wird die Scheibe 11 an das Substrat 2 angeschlossen, so daß die Polarisierung dieses Substrats im Verhältnis zum Plasma zwischen dieser Scheibe und dem Substrat eingestellt werden kann. Mit zwei Spannungsmessern 114 und 116 können die Gleichspannungspotentiale der Scheibe 11 und des Substrathalters 4 gemessen werden, so daß das negative Potential der Substrate 2 auf einen Wert zwischen 15 und 5OO, meistens zwischen lOO und 300, beispielsweise 150 V in Bezug auf die Masse eingestellt werden kann. Die Gleichspannungspotentiale der Substrate 2 sind gleich dem Potential des Substrathalters 4, da sie sich aus dem Anlegen einer gleichen Hochfrequenzspannung im Verhältnis zum Plasma ergeben.
Nach dem Anbringen der Substrate 2 wird eine Gasmischung in die Glocke 8 eingeführt; diese Gasmischung tritt über einen Stutzen 18 ein, der einen Einblasring 20 um den zwischen der Zielelektrode 10 und dem Substrat vorhandenen Raum etwa 2 cm von dieser Zielelektrode entfernt bildet.Der Druck in diesem Ring wird auf einem Wert zwischen 0,2 und 4 Torr gehalten, vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 Torr. Die Gasmischung strömt aus 12 Einblasöffnungen 22 mit einem Durchmesser von 0,6 bis 1 mm, beispielsweise 0,8 mm aus, die auf die Substrate gerichtet sind, so daß sich unter einem Winkel von etwa 45 in Bezug auf die Vertikale
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28iK-1Cü AO
ausgerichtete Gasströme ergeben; din imzahl dieser Öffnungen liegt zwischen B und ZO.
Die Gasstrommenge ist derart, daß sich innerhalb der
β -η
Glocke Gin Druck von 10 J Torr ergibt. Dieser Druck kann jedoch
—? -4 ander:.; gewählt werden, solange er zwischen 10 ' und 10 Torr bleibt.
Die Gaamischung enthält zwischen 1 und 100% Kohlenstofftetrafluorid CE'. (Volumenprozent) und eventuell Wasserstoff und Helium. Beispielsweise kann sie 30 Volumenprozent Wasserstoff enthalten. Wenn der Druck im Gehäuse 8 stabilisiert ist, v/ird der Generator 14 eingeschaltet. Trotz der geringen Temperatur v/ird dann wegen des Vorhandanseins des Hochfrequenzfeldes die Sili^iumoxydschicht SiO angegriffen. Nach dreißig Minuten, die für ein Ätzen dieser .'Jchicht notwendig sind, wird der Generator 14 abgestellt. Die Zuführung von Gas durch den Gtutsen IC v/ird ebenfalls unterbrochen und das Leerpumpen des Gehäuses über den Stutzen 16 wird fortgesetzt, bis der Druck auf etwa 10 Torr abgefallen ist.
Die Erfindung bietet folgende Vorteile :
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bleibt die Temperatur des Substrats auf einem relativ niedrigen Wert und die Atzgaschwindigkeit ist hoch, beispielsweise 100 Λ pro Minute. Es zeigt sich, daß die Ränder der Ätzbereichs sehr ganau den Rändern der
befindlichen
in der lichtempfindlichen Harzschicht(Öffnungen folgen.
Diese beiden letzteren Vorteile werden durch das elektrische Feld bedingt, das in der Hähe der angegriffenen Schicht herrscht und sich aus dem Vorhandensein des Kondensators 112 ergibt. Dieses elektrische Feld stößt die negativen Kohlenstoffionen zurück und zieht die positiven Fluorionen an.
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AA
Selbstverständlich wird das Gas entsprechend der ArL dar zö ätzenden dünnen Schicht und der das -Jubsbrats, auf den diese Schicht liegt, gewählt, um zu vermeiden, dr»3 dieses Substrat angegriffen wird. Für auf einem Siliziumsubütrat vorhandene Schichten sind Kohlenstofftetrafluorid CF , und Schwefelhexafluorid SF,- geeignet. Für eine Titanschicht oder für eine dünnen Oberflächenschicht des Siliziumsubstrats selbst wird vorzugsweise Schwefelhexafluorid SF-- verwendet.
Bezüglich des Kohlenstofftetrafluorids CF. kann angemerkt werden, daß das in der Nähe der Substrate herrschende elektrische Feld, das kohlenstoffhaltige Ionen zurückstößt, jede Kondensation von Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen auf den Substraten vermeidet.
Ferner gestattet die Verwendung von in Richtung auf die Substrate ausgerichteten Gasströmen es, gleichzeitig zwei vorteilhafte Ergebnisse zu erzielen, die zunächst nicht miteinander vereinbar scheinen :
Erstens bleibt der Druck in der Nähe des Substrats εusreichend niedrig, so daß die den Ätzvorgang ausführenden Ionen sehr wenig Kollisionen ausgesetzt sind.
Zweitens wird stets frisches Ätzgas mit großem Massendurchsatz in die Nähe des Substrats geführt.
χ χ
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Leerseite

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    Dünnschicht-Ätzverfahren durch Plasmazersetzung eines
    ases, demgemäß zuerst das zu beätzende Substrat in ein Gehäuse
    — 9 —4 eingebracht wird, dann dieses Gehäuse auf 10 ~ bis 10 Torr mit einem Gas gefüllt wird, das Moleküle enthält, die durch Elektronenbeschuß gespalten werden können und positive und negative Ionen ergeben, wobei die positiven Ionen das zu beätzende Material der Schicht chemisch angreifen können, dann ein elektrisches HF-Feld zwischen zwei leitenden Flächen der Masse und die ZieleJektcode angelegt wird, die zu beiden Seiten des Substrats angeordnet sind, so daß in diesem Gehäuse in der Nähe dieses Substrats ein Plasma entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat elektrisch hochfrequent über eine Polarisierungsimpedanz (112) an die Zielelektrode (11) angeschlossen wird und in das Gehäuse durch einen Stutzen (18) eintritt, in dem der Druck zwischen 0,2 und 4 Torr gehalten wird, wobei dieser Stutzen mit Einblasöffnungen (22) versehen ist, die auf das Substrat gerichtet sind.
    2 - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Polarisierungsimpedanz um einen Kondensator (112) handelt.
    809828/0819 ./.
    3 - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichne t, daß die genannte Jchicht ^ilizium oder Titan enthält und daß das Gas ein gasförmiges Fluorid enthält, so daß beim Spalten der Moleküle positive Fluorionen auftreten.
    4 - Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas darüber hinaus ein Gas enthält, das unter der Gruppe von Gasen ausgewählt wird, die aus Wasserstoff und Helium besteht.
    5 - Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Fluorid aus der Gruppe von Stoffen gewählt wird, die aus Kohlenstofftetrafluorid CF4 und Schwefelhexafluorid 3F6 besteht.
    6 — Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden leitenden Oberflächen (6, 10) eben und parallel sind und sich im Innern des Gehäuses (6, 8) gegenüberliegen und daß das Substrat (2) im Zwischenraum zwischen diesen beiden Flächen untergebracht ist, und zwar unter Wahrung eines Abstands von den Rändern jeder dieser Flächen.
    7 - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einbringen des Substrats in das Gehäuse die dünne Schicht mit einer lichtempfindlichen Harzschicht bedeckt wird, die Harzschicht durch eine Fotogravurmaske bestrahlt wird, durch die bestrahlte und nicht bestrahlte
    und
    Bereiche begrenzt werden, *Oie Harzschicht in den bestrahlten
    ORIGINAL INSPECTED 809828/0819
    Bereichen bzw. nicht bestrahlten Bereichen entfernt wird und in den jeweils anderen Bereichen besahen bleibt, so daß die dünne Schicht anschließend an den Stellen, an denen die Harzschioht entfernt wurde, angegriffen und an den Stollen, an denen die Harzschicht verblieben ist, geschützt wird.
    8 - Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisierungsimpedanz (112) so gewählt wird, daß das negative Potential des Substrats (2) im Verhältnis zum Gehäuse zwischen 15 und 500 V liegt.
    9 - Verfahren nach Anspruch 0, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisierungsimpedanz (112) so gewählt wird, daß das negative Potential des Substrats (2) im Verhältnis zum Gehäuse zwischen 100 und 300 V liegt.
    10 - Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stutzen (18) einen Einblasring (20) bildet, der mit den Einblasöffnungen (22) versehen ist und den zwischen der Zielelektrode (10) und dem Substrat (2) vorhandenen Raum umgibt.
    11 - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im genannten Stutzen (18) auf einen Wert zwischen 0,5 und 2 Torr gehalten wird, wobei der Durchmesser der Einblasöffnungen zwischen 0,6 und 1 mm und ihre Anzahl zwischen 8 und 20 beträgt.
    P Π 9 Π ? R / Π 8 1 9 ORlGiMAL !NSPc0ι ED
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