DE2848691A1 - Verfahren und gas zur behandlung von halbleiter-bauelementen - Google Patents

Verfahren und gas zur behandlung von halbleiter-bauelementen

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DE2848691A1 DE19782848691 DE2848691A DE2848691A1 DE 2848691 A1 DE2848691 A1 DE 2848691A1 DE 19782848691 DE19782848691 DE 19782848691 DE 2848691 A DE2848691 A DE 2848691A DE 2848691 A1 DE2848691 A1 DE 2848691A1
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Description

BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf Gasplasmaverfahren und -materialien, insbesondere auf ein Verfahren und ein Gas zur Entfernung von Materialien bei der Herstellung von Halbleiter-Bauelementen in einem Plasma.
Bei der Behandlung von Halbleiter-Bauelementen in einem Gasplasma werden die zu behandelnden Plättchen oder Bauelemente gemeinsam in einer Reaktionskammer angeordnet, in der durch Bestrahlung eines Hilfsgases mit radiofrequenter Energie ein Gasplasma gebildet wird, dem die Plättchen oder Bauelemente für die gewünschte Behandlung ausgesetzt werden, beispielsweise zum Ätzen einer Metallisierungsschicht, Ätzen einer Passivierungs- oder Diffusionsbarriere oder zum Abziehen eines Fotoresists.
Bisher werden bei der Plasmabehandlung von Halbleiter-Bauelementen Halogenkarbonsäuren wie CF. verwendet. Beispielsweise ist es aus der US PS 3 795 557 bekannt, ein Gemisch aus einer Halogenkarbonsäure und Sauerstoff zu verwenden. Eines der Nebenprodukte solcher Reaktionen ist Siliziumtetrafluorid (SiF.), das bisher zur Behandlung von Halbleiterplättchen und anderen Silizium enthaltenden Bauelementen als nicht geeignet betrachtet wurde.
Der Erfindung lsqgt die Aufgabe zugrunde, ein neues und verbessertes Verfahren und Gas zur Vervrendung bei der Behandlung von Halbleiter-Bauelementen anzugeben, die sich zur selektiven Ätzung von Passivierungs- und Diffusionsbarrierenmaterialien, wie Si_N" , insbesondere beim Ätzen von Silizium und Silizium enthaltenden Materialien sowie zum Abziehen oder Ablösen eines Fotoresists eignen.
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Überraschendervreise hat sich herausgestellt, daß SiP. und Mischungen von SiF. und Sauerstoff bei der Plasmabehandlung von Halbleiter-Bauelementen überaus brauchbar sind. Durch die Verwendung eines im -wesentlichen aus SiF. bestehenden Gases ergibt sich eine deutliche Verbesserung bei der selektiven Ätzung von Passivierungs- und Diffusionsbarrierenmaterialien wie Si^N.. Ferner konnte überraschenderweise festgestellt werden, daß Mischungen von SiF. und Sauerstoff, die etwa 2 bis etwa 20 Vol.-$ enthalten, beim Ätzen von Silizium und anderen, Silizium enthaltenden Materialien ebenso wirksam sind wie Mischungen aus CF. und Sauerstoff. Weiterhin führen Mischungen von SiF und Sauerstoff mit etwa 50 bis 95 VoI.-^ Sauerstoff beim Ablösen oder Abziehen von Fotoresistmaterialien zu hervorragenden Ergebnissen.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 die schematische Darstellung einer Plasma-Ätzvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 2 den schematischen Querschnitt der Reaktionskammer der Vorrichtung der Fig. 1.
Die Plasma-Ätzvorrichtung enthält eine insgesamt zylindrische Reaktionskacuner Ii aus geeignetem Material, beispielsweise Quarz, mit einer insgesamt halbkugelf öriaigen Rückwand 12 und einer insgesamt ebenen vorderen Tür 15· Am Boden bzw. an der Oberseite der Reaktionskammer 11 sind ein EinlaSverteiler 16 und ein Auslaßsammler 17 angeordnet. Durch den Einlaßverteiler 16 wird Gas in die Reaktionskammer 11 eingeleitet, und zwar von einer unter Druck stehendes SiF2 enthaltenden Quelle 21 und einer unter Druck stehenden Sauerstoff enthaltenden Quelle 22. Die Durchsätze von den beiden Gasquellen 21 und 22 und die der Reaktionskammer 11 zugeleiteten relativen Anteile der Gase werden durch Strömungsregler 23 bzw. 24 eingestellt und durch
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Strömungs-Meßgeräte 26 und 27 überwacht. Das Gas wird aus der Reaktionskammer 11 mittels einer Absaugpumpe 29 entfernt, die an den Auslaßsammler 17 angeschlossen ist.
Eine Einrichtung zur Erregung des Gases in der Kammer zu dessen Ionisierung und zur Bildung des gewünschten Plasmas enthält insgesamt halbzylindrische Elektroden 51 bis 34 (Pig. 2), die koaxial um die Reaktionskammer angeordnet und jeweils zu einem oberen und unteren Paar elektrisch miteinander verbunden sind. Die oberen Elektroden 31, 32 sind geerdet, während die unteren Elektroden 33, 34 mit dem Ausgang eines HF-Generators 36 verbunden sind, der typisch mit einer Frequenz in der Größenordnung von 13,56 MHz arbeitet.
Die zu behandelnden Plättchen 41 befinden sich in einem Schiffchen oder auf einem Gestell 42, das sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in einem perforierten Zylinder 44 aus elektrisch leitfähigem Material, wie Aluminium, befindet. Der perforierte Zylinder 44 dient zur Begrenzung der Glimmentladung des Plasmas auf den Bereich zwischen dem Zylinder und der Reaktorwand, was in manchen Anwendungsfällen zu einer schnelleren und gleichmäßigeren Ätzung der zu entfernenden Materialien führt. Ein geeigneter Reaktor ist von der International Plasma Corporation Hayward, Kalifornien, USA, erhältlich.
Nach dem erfiniungsgemäßen Verfahren werden die Plättchen 41 in das Schiffchen 42 eingegeben und das beladene Schiffchen 42 wird in der Reaktionskammer 11 angeordnet. Die Tür 13 wird geschlossen; mittels der Vakuumpumpe 29 wird der Druck in der Reaktionskammer 11 verringert. Von den Quellen 21 und 22 wird Gas in dem gewünschten Mischungsverhältnis in die Reaktionskammer eingeleitet und die Elektroden 31 "bis 34 werden zur Ionisierung des Gases erregt. Das Gasgemisch strömt, kontinuierlich mit einem Durchsatz von etwa. 100 bis 500 cm /min durch die Reaktionskammer 11. Der Arbeitsdruck liegt in der Größenordnung von etwa
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0,33 bis 6,65 x 10~5 bar (0,25 bis 5 Torr). Die Temperatur in der Reaktionskammer 11 liegt während der Reaktion typisch bei etwa 20 bis 150° C.
Anstelle der beiden getrennten Gasbehälter 21 und 22 mit je eigener getrennter Reguliereinrichtung kann ein einziger Tank verwendet werden, der ein vorbereitetes Gemisch aus SiF, enthält, falls ein Gasgemisch verwendet wird.
Die Tabellen 1 bis 3 (am Ende der Beschreibung) zeigen die Ätzgeschwindigkeiten (1O~^ /um/min) bei unterschiedlichen erfindungsgemäßen Gasgemischen und unterschiedlichen, erfindungsgemäß behandelten Materialien. Diese Ergebnisse wurden bei Ausführung des erfindungegemäßen Verfahrens in einer Reaktionskammer 11 mit einem Durchmesser von etwa 20,3 cm (8 inch) und einer Länge von etwa 45,7 cm (18 inch) bei einer den Elektroden zugeführten RF-Leistung von 350 W erzielt.
Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß ein im wesentlichen aus SiF, ohne Sauerstoff bestehendes Plasmagas ein äußerst wirksames und selektives Ätzmittel für SixN. ist. Die Verwendung von SiF.
nach dem oben beschriebenen Verfahren (Durchsatz 150 ein /min, P = 0,532 χ ΙΟ""-5 bar) führte zur Entfernung von Si,N, vom Sub-
—3 /
stratplättcheii mit einer Geschwindigkeit von 1 750 χ 10 /um/min ohne merkliche Atzung des darunterliegenden Siliziums oder Silizium enthaltender Verbindungen. Dies ist ein unerwartetes und bedeutendes Ergebnis, weil es nun erstmalig möglich ist, in dünnen Schichten über Silizium oder SiO2 abgelagertes SiJI. in einem Plasmaverfahren zu ätzen, ohne das darunterliegende Substrat anzugreifen. Ein weiterer wichtiger Vorteil dieses Verfahrens ist, daß Fotoresistmaterialien wie Shipley AZ135O, Kodak ZTFR, Hunt Waycoat IC und OMR 83 durch das Plasma nicht merklich angegriffen werden, selbst wenn der perforierte Zylinder 44 nicht benutzt wird.
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Die Daten der Tabelllen 2 und 3 zeigen, daß ein Gemisch aus SiF. und etwa 2 bis 20 Vol.-$ Sauerstoff ein wirksames-Ätzmittel für Materialien wie einkristallines Silizium (Si), polykristallines Silizium (POLY), durch chemische Dampfabscheidung aufgebrachtes Silizium (CVD), SiO3, Phosphorsilikatglas (PSG), Molybdän (Mo) und Titan (Ti) ist. Die Daten in den Tabellen 2 und 3 wurden unter identischen Bedingungen unter Anwendung des erfindungsgemäSen Verfahrens (Gasdurchsatz = 750 cnr/min, P= 1 ,33 x 10"^ bar) erhalten, mit der Ausnahme, daß der perforierte Zylinder 44 nur bei den Versuchen gemäß Tabelle 3 benutzt wurde. Bezüglich den Tabellen 2 und 3 sei erwähnt, daß polykristaJines Silizium langsamer geätzt wird als einkristallines Silizium, was den bei CF.-Plasraen beobachteten Gege_.benheiten entgegengesetzt ist. Dies ist wichtig, weil somit mit dem erfindungsgemäßen Gasgemisch polykristallines Silizium kontrolliert geätzt werden kann.
Tabelle 4 enthält die Ergebnisse bei Verwendung von Gasgemischen mit etwa 5 bis 50 Vol.-^ SiF. und etwa 95 bis 50 Vol.-% Sauerstoff in der beschriebenen Vorrichtung (Durchsatz 750 cm /min) zum Ablösen von Fotoresistmaterialien wie Shipley AZI35O, Kodak KTFR, Hunt Waycoat IO und OMR 83. Die Daten der Tabelle 4 zeigen, daß Gemische aus SiF. und Sauerstoff mit verhältnismäßig hohen Sauerstoffkonzentrationen beim Ablösen von Fotoresistmaterialien selbst innerhalb des perforierten Aluminiumzylinders 44 überraschend wirksam sind. Die Ablösung innerhalb eines solchen Zylinders war stets schwierig; nach/dem erfindungs gemäß en Verfahren und bei Verwendung des erfindungsgemäßen Gasgemisches ist es nicht mehr notwendig, die Reaktionskammer zwischen dem Atzen und Ablösen zu öffnea und den perforierten Zylinder 44 zu entfernen.
Zur selektiven Ätzung der Passivierungs- und Diffusionsbarriere von Si„IT wird vorzugsweise technisch reines SiF. verwendet, wie es beispielsweise von Matheson of Lyndhurst, New Jersey, USA, geliefert wird. Es können jedoch auch andere Gasgemische verwendet werden, die im wesentlichen aus SiF. und Gasen bestehen, die die
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selektive Ätzung von Si~N. unter den Verfahrensbedingungen nicht behindern oder nachteilig beeinflussen. Das Gasgemisch kann entweder aus binären Gemischen von SiF. und Sauerstoff, SiF., Sauerstoff und anderen aktiven Gasen CF. bestehen oder aus Gemischen, die im wesentlichen aus SiF. und Sauerstoff bestehen, d. h. Gemischen, die andere Gase enthalten, die die Verfahrensergebnisse nicht behindern oder nachteilig beeinflussen. Im allgemeinen werden Gemische mit den zuvor erwähnten Konzentrationen von SiF. und Sauerstoff bevorzugt, es gibt jedoch auch Fälle, in denen vorteilhafterweise Gemische verwendet werden können, die Konzentrationen der Bestandteile außerhalb der bevorzugten Bereiche enthalten.
Zwar wurde zum Zwecke der Erläuterung eine Vorrichtung beschrieben, die die Verwendung von SiF. zur Entfernung eines Passivierungs- und Diffusionsbarrierenmaterials und die nachfolgende Verwendung von Gasgemischen mit SiF. und Sauerstoff zur Entfernung anderer Materialien enthalten, in der Praxis ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch hierauf nicht beschränkt. Gewünschtenfalls kann beispielsweise SiF zur selektiven Atzung eines Passi und Diffusionsbarrierenmaterials wie Si~N. verwendet werden, worauf die Fotoresistschicht und/oder unerwünschte Siliziummaterialien durch Verwendung anderer Gasgemische entfernt werden können, beispielsweise CF. und Sauerstoff.
Die Erfindung bietet eine Anzahl wichtiger Merkmale und Vorteile. Sie ermöglicht die Anwendung eines Verfahrens und eines Gasgemisches, die bei der selektiven Ätzung von Si,N., beim Ablösen eines Fotoresistmaterials und beim Ätzen von Materialien wie Silizium und Silizium enthaltenden Verbindungen überraschend wirksam sind.
Tabelle 1 - SiF4 p = ^532 # 1Q-3 bar {0A Torr)
geätztes Material Ätzgeschw. (1O~^ /um/min)
Si3N4 1750 (175 2/min)
SiO2 0
CVD 0
Si 0
PSG 0
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Tabelle 2 - SiF4 + Sauerstoff POLY CFD SiO2 PSG Si3H4 Ko bar Ti
(Ohne perforierten Zylinder) .100 0 1O 0 350 1 320 4000
Sauerstoff Si 4800 600 300 1700 4000 - -
Qfo O+ 900 500 23OO 4000 11 600 5700
2i° 10000 - - - - 4000 - -
M° 12000 5100 1200 750 3100 4000 - -
efo 1800 - — — — —
8% Ätzgeschwindigkeit (10~^ /um/min) P = 1 ,33 · 10" (1 ,0 Torr)
Of, Tabelle 3 - SiF
(mit perforiertem
4 + Sauerstoff
Zylinder)
Sauerstoff Si POLY CVD
SiO
Mo
Ti
0" 0 0 0 0 10 - -
500 460 0 10 0 150 - -
1250 470 45 30 10 150 240 200
1100 - - 30 200 200 - -
870 440 75 40 190 25O - -
— — 100 30 — 25O - -
digkei t (ΙΟ"5 /um/min) P = 1 ,33 · 10~5 bar (1,0 Torr)
Tabelle 4 - Fotoresist-Ablösung
./0o-Gemisch in perforiertem Zylinder)
P = 1,33-10 (#) (1,0 Torr)
11,O+
6,5 4,0 3,0 2,6 2,2
P = 2,66-10 5bar (2,0 Torr)
10,1
6,7 5,6 4,6 3,9 3,4
+Ablösezeit (min, Schicht aus negativem Fotoresist mit einer Stärke von etwa 1 /um).
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Claims (1)

  1. PATENT* NWÄLTE
    SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBiNGHAUS FINCK
    MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MDNCHEN SO POSTADRESSE: POSTFACH 95Ο16Ο. D-8OOO MÖNCHEN 95
    KARL LUOWIS SCHIFF
    DIPL. CHEM. DR. ALEXANDER V. FÜNER
    DIPL. ING. PETER STRAHL
    DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHOaEL-HOPF
    DIPL. INS. DIETER EBBINQHAUS
    DR. INS. DIETER FINCK
    TELEFON (Ο39) 43SOS4
    TELEX 5-S3S65 AURO D
    TELEGRAMME AUROMARCPAT MÜNCHEN
    DIOHEX GOSPOEATION DSA-U365
    WILL ROSS, INC. 9- November 1S78
    Verfahren und Gas zur Behandlung von Halbleiter-Bauelementen
    PATEITAESPEÜCHE
    7) Verfahren zur Entfernung eines Materials von einem Halbleiter-Bauelesient in eiiiea Plasma, dadurch gekennzeichnet daß das Material sine® gasförmigen Plasma aus einem Gemisch enthaltend SiF,, und. Sauerstoff für eine Zeit ausgesetzt wird, die zur Entfernung einer vorbestimmten Menge des Materials ausreicht.
    Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß das zu entfernende Material ein Fotoresist ist, und daß das Gemisch zwischen 10 und 50 Vol.-# SiF. enthält.
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    3· Verfahren zur Entfernung eines Materials, das aus Silizium besteht oder Silizium enthält, von einem Halbleiter-Bauelement in einem Plasma, dadurch gekennzeichnet, daß das Material einem als Hauptbestandteil SiP. enthaltenden Gasplasma für eine Zeit ausgesetzt wird, die ausreicht, eine vorbestimmte Menge des Materials zu entfernen.
    4- Verfahren zum selektiven Wegätzen von Si-JL· von einem Halbleiter—Bauelement in einem Plasma, dadurch g e k e η η -τ zeichnet , daß das Bauelement einem SiP. und keinen Sauerstoff enthaltenden Gasplasma für eine Zeit ausgesetzt wird, die ausreicht, das Si-JL zu entfernen.
    5- Gas zur Entfernung von Silizium oder einem Silizium enthaltenden Material von einem Halbleiter-Bauelement in einem Plasisa, gekennzeichnet durch ein Gemisch aus und Sauerstoff.
    6. Gas nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Gemisch 2 bis 20 VoI.-^ Sauerstoff enthält.
    7- Gas zur Entfernung eines Fotoresist von einer Halbleiteranordnung in einesE Plasma, gekennzeichnet durch ein Gemisch aus SiF. und Sauerstoff.
    8. Gas nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Gesisch. wenigstens 50 Vol.-jS Sauerstoff enthält.
    9. Verfahren zum selektiven Wegätzen eines Passivierungs- und Diffusionsbarrierenmaterials von einem Substrat, bei dem das Substrat in einem Plasma angeordnet wird, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das Substrat einem im wes entlichen aus SiF. bestehenden. Gasplasma für eine Zeit ausgesetzt wird, die ausreicht, die gewünschte Menge des Barrierenmaterials vom Substrat zu entfernen.
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    10. Verfahren zum Ätzen eines Materials, das Silizium enthält, von Molybdän oder Titan, bei dem das Material in ein Plasma eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet , daß das Material darauf einem SiF und Sauerstoff enthaltenden Gasplasma für eine Zeit ausgesetzt wird, während der das Material in der gewünschten "Weise geätzt wird.
    , Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch etwa 2 bis etwa 20 Vol,-$ Sauerstoff enthält.
    12. Verfahren zum Entfernen eines Fotoresistmaterials von einem Halbleiter-Bauelement, bei dem das Bauelement in ein Plasma eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet , daß das Bauelement einem Gasplasmagemisch, das Sauerstoff und wenigstens 5 $ SiF. enthält, für eine Zeit ausgesetzt wird, die ausreicht, die gewünschte Menge des Fotoresistmaterials abzulösen.
    3. Gemisch zur Verwendung als Gasplasma in einem Plasma-Ätzverfahren, dadurch gekennzeichnet , daß es SiF. und Sauerstoff enthält.
    14. Gemisch nach Anspruch 13» gekennzeichnet durch einen Sauerstoffgehalt von etwa 2 bis etwa 20 Vol.-$.
    · Gemisch nach Anspruch 13» gekennzeichnet durch einen Gehalt von wenigstens 5 Vol.-jS SiF..
    16. Gasgemisch zur Verwendung bei einem Plasmaätzverfahren, da- durch gekennzeichnet , daß es im wesentlichen aus SiF. und Sauerstoff: besteht.
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