DE2930290C2 - - Google Patents

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Cyril Joseph Murray Hill N.J. Us Mogab
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für ein Festkörperbauelement mit einer strukturierten Fläche der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.
Solche Herstellungsverfahren sind insbesondere bei integrierten Halbleiter- Schaltungen hoher Packungsdichte und Musterfeinheit, aber auch bei diskreten Schaltungselementen anwendbar, ebenso bei magnetischen Schaltungen (z. B. Blasenspeicher), integrierten optischen Schaltungen usw.
Die integrierten Großschaltungen (LSIC′s) auf Siliciumbasis sind für auf lithographischem Wege erzeugte Schaltungen hoher Schaltungsdichte beispielhaft. Solche Schaltungen, ebenso diskrete Schaltungselemente, können auch auf der Basis anderer Halbleitermaterialien beruhen. Da die LSIC-Herstellung auf Siliciumbasis das Anwendungsgebiet schlechthin für das in Rede stehende Verfahren ist, erfolgt die Beschreibung anhand dieses Beispiels.
Derzeit erfolgt die Mustererzeugung auf diskreten Masken, wobei die Replizierung von Mustern in strahlungsempfindlichen Schichten (Resistschichten) als Masken auf der Anordnung während der Herstellung erfolgt. Der Trend zu erhöhter Miniaturisierung (vom derzeit üblichen Entwurfsregelabstand von etwa 4 µm auf schließlich Submikrometer) führt zu Änderungen der Herstellungsmethoden. Beispielsweise nimmt das Interesse - hauptsächlich wegen Ausrichtungsproblemen - an einem maskenlosen Herstellungsweg, der als Direktbearbeitung bekannt ist, zu. Bei der Direktbearbeitung sind Resistschichten auf den Plättchen selber entworfene Primärmuster und dienen danach als Einweg-Maskierschichten.
Maskierschichten, ob sie nun durch Primär- oder Sekundärmusterbildung erzeugt worden sind, dienen zur formgebenden Ätzung von darunter liegendem Material, z. B. von einkristallinem oder polykristallinem Silicium, von Siliciumoxid, Siliciumnitrid usw..
Das Bedürfnis nach kleinerem Mustermerkmalsabstand führt zu dem begleitenden Bedürfnis nach streng kontrollierten Ätzprofilen, insbesondere nach glatt senkrechten Ätzwänden ohne nennenswerte Hinterschneidungen unter den Maskier- Resistkanten. Mit den bekanntlich isotrop ätzenden Naßätzverfahren kann dieses nicht erreicht werden.
Hochenergie- Trockenätzverfahren wie Ionenätzung, kathodisches Zerstäuben und dgl. ätzen zwar anisotrop, beeinträchtigen aber die Herstellung durch begleitende Strahlungsschäden und schnelle Resist-Erosion als Folge eines Bombardements mit energiereichen Partikeln. Plasmaätzverfahren bieten zwar die Vorteile einer Trockenbearbeitung (Gasätzung); eine gesteuert anisotrope Ätzung bleibt aber auch hier ein Problem, da vertikale Wände im allgemeinen nur unter Plasmabedingungen erreichbar sind, unter denen der Materialabtrag hauptsächlich die Folge eines Impulsaustausches mit den auftreffenden Partikeln, nicht aber die Folge einer chemischen Reaktion mit diesen ist, also wiederum begleitende Strahlungsschäden auftreten können.
Es sind auch Plasmaätzverfahren bekannt, bei denen das Plasma erhalten wird aus einem Reaktionsgasmilieu mit einem wenigstens zweikomponentigen Reaktantengemisch. So beschreibt die DE-OS 27 30 156 zur Plasmaätzung von Aluminium, das bekanntlich stets von einer Oxidhaut bedeckt ist, den Einsatz von inertgasverdünntem BCl₃ mit einem Zusatz von Cl₂ zur Maximierung der Ätzgeschwindigkeit. Und die US-PS 40 69 096 beschreibt zur Plasmaätzung von Silicium den Einsatz von inertgasverdünntem CCl₄ ebenfalls mit einem Zusatz von Cl₂ und/oder HCl zur Maximierung der Ätzgeschwindigkeit (wobei ein Einsatz von CF₄ allein, weil isotrop ätzend, als nachteilig angesehen wird). Wenngleich dort auch ein gewisses anisotropes Ätzverhalten verzeichnet wird, bleibt offen, wie zu verfahren wäre, wenn ein gezielt gesteuertes anisotropes Ätzen angestrebt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Plasmaätzverfahren der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art bereitzustellen, das gezielt ein im wesentlichen ideal anisotropes Ätzen ermöglicht, ohne daß Strahlungsschäden in Kauf zu nehmen sind.
Die erfindungsgemäße Lösung ist dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nachstehend ist das Verfahren einschließlich seiner Weiterbildungen im einzelnen beschrieben.
1. Allgemeines
Das Verfahren befaßt sich mit der Herstellung von Festkörperbauelementen wie integrierten Schaltungen und diskreten Schaltungselementen, wobei im Herstellungsverlauf wenigstens ein Plasmaätzvorgang stattfindet. Erforderliche vorausgehende lithographische Schritte können durch Replizierung mit Hilfe einer diskreten Maske oder auf maskenlosem Weg, d. h. durch Direktbearbeitung, vorgenommen werden. In jedem Fall sind die zu bearbeitenden Gegenstände im relevanten Verfahrensstadium mit einer haftenden, gemusterten Resistschicht versehen, wobei das Muster erzeugt ist erstens durch aktinische Strahlung, die die Löslichkeit ändert, und zweitens durch Entwicklung in einem Lösungsmittel, um entweder die exponierten oder die nicht exponierten Bereiche, je nachdem, ob es sich um einen Positiv- oder Negativ-Resist handelt, selektiv zu entfernen. (Bei gewissen Verfahrensvarianten kann der "Resist" selber nicht durch aktinische Strahlung mit einem Muster versehen werden, sondern es wird in ihm durch Replizierung des Musters eines darüber liegenden strahlungsempfindlichen Materials erzeugt.) Die hier interessierende Bearbeitung setzt notwendigerweise selektives Plasmaätzen des blanken Substrates voraus, das unter dem gemusterten Resist gelegen ist. Betroffene Materialien - die zu ätzenden Materialien - ändern sich entsprechend dem zu bearbeitenden Gegenstand. In dem kommerziell bedeutsamen Fall der LSIC′s umfassen die derzeit betroffenen Materialien Silicium (einkristallin oder polykristallin), Siliciumoxid (dotiert oder undotiert), Siliciumnitrid (aus dem Plasma oder pyrolytisch niedergeschlagen), ebenso Resists selber (deren Entfernung beispielsweise das Abheben von darüber liegendem Material betreffen kann) usw. Je nach Technologie (Halbleiteroptik, magnetische Bauelemente usw.) können andere Materialien betroffen sein. Beispiele hierfür sind Bornitrid, weichmagnetische Nickel-Eisen-Legierungen (Permalloy), substituierte Yttrium-Eisen-Granate, Lithiumniobat, Lithiumtantalat usw.
Das vorliegende Verfahren ist von grundsätzlicher Bedeutung bei der Herstellung von Bauelementen, insbesondere Schaltungen, mit feinen Details. Derzeit liegen die Entwurfsregelabstände für Silicium-LSIC′s bei etwa 4 µm. Bei der Herstellung solcher LSIC′s ist die Verwendung von Plasmaätzung üblich.
Die zunehmende Miniaturisierung mit der begleitenden Abnahme der Entwurfsregelabstände auf den Mikrometer- und den Submikrometer- Bereich wird zu einer zunehmenden Anwendung des Plasmaätzens führen. Die Verringerung der Entwurfsregelabstände führt zu weiteren Anforderungen an die Ätzprofile, und zwar insbesondere hinsichtlich vertikaler Kanten mit minimalen Hinterschneidungen.
Die vorstehenden Desiderata werden erfüllt durch die Verwendung eines Reaktionsgasgemisches, aus dem im Plasma zwei Komponenten erzeugt werden, nämlich erstens eine überwiegend als Ätzmittel wirksame Komponente (Ätzkomponente) und zweitens eine Rekombinationskomponente hierfür. Die Natur der Rekombinationskomponente ist so, daß sie mit der Ätzkomponente in der Nähe der Ätzwände oder bei denselben rekombiniert. Sie ist also ein Vehikel zum Steuern des Ätzangriffgrades an den Wänden.
Eine bedeutsame Eigenschaft des Verfahrens beruht auf der Beobachtung, daß das am Ätzort verfügbare Angebot sowohl an Rekombinationskomponente als auch an Ätzkomponente begrenzt ist. Die Einstellung der Menge der einen gegenüber der anderen erlaubt einen Steuerungsgrad, der zu vertikalen, flachen Ätzwänden führen kann oder, wegen dieser Kontrollmöglichkeit, zu Wänden, die einen steuerbaren Hinterschneidungsgrad zeigen. Es ist unter Bedingungen, bei denen die Rekombinationskomponente gegenüber der Ätzkomponente bevorzugt wird, sogar möglich, Wände zu erzeugen, die eine "negative Hinterschneidung" aufweisen (bei denen also die geätzten Wände über den Maskenrand hinaus in den unmaskierten Bereich vorstehen).
2. Definitionen
Der besseren Erläuterung halber ist es zweckmäßig, die einzelnen Ausdrücke zu definieren, die teils bereits in Gebrauch, teils der Erfindung eigen sind.
Plasmaätzen: Eine Ätzung, die hauptsächlich als Folge der innerhalb eines Plasmas erzeugten Bedingungen fortschreitet. Die Definition umfaßt eine Reihe Verfahren, die üblicherweise mit spezielleren Ausdrücken belegt sind, beispielsweise reaktives Ionenätzen, Zerstäubungsätzen usw. Für die vorliegenden Zwecke sind die betroffenen Verfahren jene, die bei hinreichend niedriger Leistung und hinreichend hohem Druck ablaufen derart, daß ein Materialabtrag hauptsächlich die Folge einer chemischen Reaktion an der zu ätzenden Oberfläche ist.
Nicht betroffene Verfahren sind jene, bei denen der Materialabtrag hauptsächlich auf Impulsübertragung beruht, also auf mechanischem Wege erfolgt, wie dieses beispielsweise beim sog. Ionenstrahlen (Ion milling) der Fall ist.
Resist: Der Ausdruck wird im Sinne seiner eigentlichen Bedeutung benutzt, d. h. für ein Material, das den Ätzmittelangriff am darunter liegenden zu ätzenden Material (Substrat) begrenzt. Entsprechend dem üblichen Gebrauch ist es nicht erforderlich, daß der Resist entweder in seiner ursprünglichen oder in seiner gemusterten Form strahlungsempfindlich sein muß. Demgemäß umfaßt der Ausdruck sowohl ein aufliegendes Material, das selber durch entsprechende Bestrahlung und nachfolgende Entwicklung gemustert werden kann, als auch aufliegendes Material, das selbst nicht strahlungsempfindlich ist, sondern nach anderen Methoden gemustert werden kann.
Reaktionsgemisch: Der Ausdruck bezieht sich auf das Reaktantengemisch wie dieses in das Plasma eingeführt wird. Es kann als ein Gasgemisch aufgefaßt werden, das die im Plasma hieraus freigesetzte aktive Ätzkomponente und Rekombinationskomponente in gebundener Form enthält. Diese beiden Komponenten werden aus neutralen (ungeladenen) Reaktanten erzeugt, die elementare zweiatomige Moleküle (z. B. Cl₂) und/oder Verbindungen (z. B. CF₃Cl, C₂F₆) umfassen. Weiterhin kann das Reaktionsgasgemisch zusätzliche Komponenten als Träger, als Verdünnungsmittel usw. enthalten.
Aktive Komponenten: Die unter den herrschenden Plasmabedingungen im Plasma vorhandenen beiden Komponenten, die für die beiden hauptsächlichen Funktionen verantwortlich sind, nämlich die
  • - Ätzkomponente, welche durch chemische Reaktion mit der zu ätzenden Oberfläche hauptsächlich für den Materialabtrag verantwortlich ist, und die
  • - Rekombinationskomponente, welche die für die Beendigung der effektiven Lebensdauer der vorherrschenden Ätzkomponente verantwortlichen Rekombinationszentren bildet, und so die Ätzkomponente bei den Ätzwänden oder in der Nähe hiervon inaktiviert (oder wenigstens in der Aktivität deutlich herabsetzt).
Ätzprofil: Die im geätzten Material erzeugte Wandkonfiguration. Im allgemeinen bezieht sich der Ausdruck auf solche Profile bei oder nach der Ätzung. Betroffene Profile sind:
  • - Vertikal: Im wesentlichen ebene Ätzwände auf einer Ebene, die mit dem definierenden, aufliegenden Resistrand zusammenfällt und senkrecht zur Substratoberfläche orientiert ist. Während etwas Resistrandätzung auftreten kann, wird diese wünschenswerterweise minimalisiert, so daß die Ebene in einer Lage ist, die die des Resistrandes vor der Ätzung annähert;
  • - Hinterschneidung: Eine geätzte Wand, von der ein Teil, generell der obere Teil, unterhalb des Resistes und hinter dem Resistrand gelegen ist;
  • - Negative Hinterschneidung: Sie definiert während des Ätzens erzeugte Randausbildungen, wobei während des Fortschreitens der Ätzung diese auf ein verringertes Gebiet einwirkt, so daß die Bodenebene des geätzten Bereichs kleiner als das Merkmal ist, wie dieses durch die entsprechende Resistöffnung definiert ist.
Isotropes Ätzen: Bezieht sich auf einen beliebigen Ätzprozeß, bei dem die Ätzung in sämtlichen Richtungen (sowohl in vertikaler als auch seitlicher Richtung) mit gleicher Geschwindigkeit fortschreitet. Isotropes Ätzen führt daher zu einer Hinterschneidung, jedoch zu einer bestimmten Hinterschneidungsform derart, daß die am dichtesten bei Resist gelegene geätzte Zone um einen Betrag hinterschneidet, der etwa gleich der vertikalen Ätztiefe ist. Isotropes Ätzen ist unabhängig von einer Hinterschneidung als Folge einer Überätzung (die beispielsweise während einem anisotropen Ätzen auftritt).
  • - Anisotropes Ätzen: Eine Ätzung, die richtungsabhängig erfolgt und zu gegenüber isotropem Ätzen unterschiedlichen Ätzprofilen führt. In diesem Sinne ist ein Hinterschneiden, ob positiv oder negativ, anisotrop solange wie die Ätzung in zwei Richtungen, z. B. vertikal und seitlich, ungleich fortschreitet.
  • - Ideal anisotrope Ätzung: Eine Ätzung, die zu einer im wesentlichen ebenen, senkrechten Ätzwand führt, die etwa in Fortsetzung des anfänglichen Resistrandes vor der Ätzung verläuft.
3. Reaktionsgasgemisch-Zusammensetzung
Die allgemeine Natur des Reaktionsgasgemisches ist unter dem vorstehenden Abschnitt angegeben worden. Beispielhafte Systeme beruhen generell auf einer von einem Halogen abgeleiteten aktiven Ätzkomponente, + wie sich dieses aus einer auf der Abströmseite durchgeführten massensprektroskopischen Analyse ergeben hat.
Die aktive Ätzkomponente - atomares Halogen, beispielsweise atomares Chlor oder Brom - wird in gebundener Form in das Reaktionsgasgemisch eingeführt. Im Falle von atomarem Chlor als aktiver Ätzkomponente, kann die Einführung in Form von Cl₂, CF₃Cl usw. erfolgen. Die Reaktanten sind üblicherweise zur Vermeidung einer möglichen Kondensation bei Raumtemperatur oder nahe bei Raumtemperaturen gasförmig. Die Rekombinationskomponente ist, im Falle von Siliciumätzung, ein Fluorkohlenstoffrest (typsicherweise CF₃- und CF₂-Reste). Er kann im Plasma z. B. aus C₂F₆ und CF₃Cl freigesetzt werden. Für Ätzmittelsysteme und Bedingungen, die zu brauchbaren Ätzgeschwindigkeiten führen, gilt allgemein, daß die Rekombinationskomponente nicht auch als Ätzmittel nennenswert aktiv ist. Z. B. sind Fluorkohlenstoff-Reste hinsichtlich Silicium ausreichend inaktiv, ebenso auch hinsichtlich den darüber liegenden Resists.
Die relativen Anteile der beiden aktiven Komponenten werden so bestimmt, daß sie zum gewünschten Ätzprofil führen. Die betroffenen Bedingungen, die nachstehend noch im einzelnen erörtert werden, sind das Resistrandoberflächengebiet und andere Bedingungen, die für die Konzentrationen von Rekombinationskomponente und Ätzkomponente bestimmend sind. Diese sind hauptsächlich durch die Zusammensetzung des Reaktionsgasgemisches selber bestimmt, werden aber auch durch andere Parameter wie Leistungsdichte im Plasma, Druck usw. beeinflußt. Im eingeführten Reaktionsgasgemisch überwiegt die (gebundene) Rekombinationskomponente die (gebundene) Ätzkomponente um einen Faktor 2 oder mehr für ideal anisotropes Ätzen (die angegebenen Verhältnisse sind generell Molenverhältnisse). Demgemäß ist CF₃Cl allein, das als eine 1 : 1 Molenmischung von Rekombinationskomponente und Ätzkomponente aufgefaßt werden kann, dann nicht geeignet, wenn ideal anisotrope Ätzung angestrebt wird. Hierfür fällt die aktive Ätzkomponente (atomares Cl) aus dieser 1 : 1-Mischung in zu hoher Konzentration an und führt demgemäß zu einem großen Hinterschneidungsgrad.
Das vorliegende Verfahren erlaubt Flexibilität im Zuschneidern des jeweils gewünschten Profils, was durch eine entsprechende Wahl des Komponentenverhältnisses geschieht. Z. B. kann CF₃Cl zusammen mit C₂F₆ eingeführt werden, um ein Ätzprofil zu erhalten, das sich für Herstellungszwecke generell eignet. Das als Beispiel genannte System C₂F₆-Cl₂ ergibt mit 5 bis 14 Volumenprozent Cl₂ ein vernünftig schnelles Ätzen, und führt (unter den anderen hier beschriebenen Bedingungen) zu Profilen, die entweder ideal anisotrop oder anderweitig für angestrebte typische Schaltungsmerkmalabstände geeignet sind. Während die wirksamen Reaktionspartner komplexer sein können, ist es zweckmäßig, sie anhand der vorherrschenden Ätzkomponente Cl und Rekombinationskomponente CF₃ zu betrachten. Dann führt unter der Annahme einer proportionalen Plasmaaktivierung ein Formeleinheitverhältnis von 2 bis 14% sowohl zu einem wirksamen Ätzen als auch zu idealer oder wenigstens für die meisten Fälle ausreichender Anisotropie. Im Hinblick auf den Umstand, daß die Selektivität (z. B. für Silicium gegenüber SiO₂) mit zunehmend eingeführtem Cl₂ zunimmt, kann ein brauchbares Verhältnis die angegebenen 14% überschreiten und einen Wert von bis zu 90% oder sogar noch mehr annehmen, wenn der Abstand ausreichend ist, so daß das resultierende Hinterschneiden toleriert werden kann.
Ein weiteres beispielsweise benutztes System ist das verwandte Halogensystem, das auf der Einführung von kombiniertem Brom beruht. Verhältnisbereiche für dieses System sind ähnlich den für das analoge Chlorsystem angegebenen.
Da es sich bei den eingesetzten Reaktanten, an die die beiden aktiven Komponenten gebunden sind, um eine (gasförmige) Mischung handelt, ist durch Änderung der Mischung eine Änderung des Verhältnisses der beiden aktiven Komponenten möglich. Diese Flexibilität ist hoch bedeutsam; denn sie ermöglicht Ätzprofile mit senkrechten Wänden (ideal anisotrope Ätzung) oder mit Wänden einer anderen gewünschten Steigung in einem breiten Bereich von Plasmaerzeugungsbedingungen, speziell bei hinreichend hohem Druck und niedriger Leistungsdichte, wo einer Impulsübertragung zuzuschreibende Strahlungsschäden minimiert sind.
Falls gewünscht, können die beiden aktiven Komponenten auch in einer einzigen chemischen Verbindung kombiniert sein, was zu einem fixierten Verhältnis von Ätz- zu Rekombinationskomponente führt. Ein typsiches Beispiel hierfür ist CF₃Cl, das aber, wie erwähnt, wegen seines zu hohen Ätzkomponenten-Anteils im Molekül, bei alleinigen Einsatz generell zu einem hohen Hinterschneidungsgrad führt. Andererseits können verschiedene andere solcher Verbindungen von Ätz- und Rekombinationskomponenten von Haus aus für ein geeignetes Verhältnis sorgen, das zu brauchbarer Anisotropie führt. (Ein offensichtliches Beispiel hierfür wäre C₂F₅Cl, da in diesem Molekül die Rekombinationskomponente (CF₃- und CF₂-Reste) die Ätzkomponente (Cl) um den Faktor 2 überwiegt.) Im übrigen gilt generell auch, daß brauchbare Profile nur dann erreicht werden, wenn die Ätzgeschwindigkeit unter den üblicherweise bevorzugten Ätzbedingungen vergleichsweise niedrig ist; und sie wird niedrig, wenn der Rekombinationskomponenten- Überschuß gegenüber der Ätzkomponente entsprechend eingestellt wird.
4. Effektive Rekombinationskomponente
Eine ausgedehnte Versuchsreihe zeigt, daß die Profilkontrolle von folgenden Faktoren abhängt.
  • a) vom physikalischen Zustand der Resistrandoberfläche (oder allgemeiner der gesamten Randoberfläche einschließlich des bloßgelegten Materials, wenn die Ätzung fortschreitet),
  • b) von der chemischen Natur der Randoberfläche und
  • c) von der Natur der durch das Plasma erzeugten Komponenten wie diese in die Nähe der Wand gelangen.
Die Anzahl wirksamer Rekombinationszentren ist endlich; ein erklärbarer Schluß anhand der Sättigung oder Nahezu-Sättigung verfügbarer Reaktionsstellen auf dem Resistteil der Wandoberfläche. Eine Änderung der Oberflächenglätte führt zu der erwarteten Notwendigkeit einer entsprechenden Änderung in der vorherrschenden Ätzkomponente, was die Sättigungsannahme bestätigt.
Die große Vielfalt in der chemischen und physikalischen Natur der zahlreichen Resistmaterialien, die sich als wirksam für die Bereitstellung von Rekombinationsstellen erwiesen haben, führt zu der wiederum mit den bisherigen Ergebnissen verträglichen Schlußfolgerung, daß jede organische Zusammensetzung, die sich als ein Resist eignet, benutzt werden kann (jedes Polymer auf Kohlenwasserstoffbasis liefert eine Oberfläche für Rekombination, muß aber in der Plasmaumgebung vernünftig stabil sein, um als Resist dienen zu können). Durchgeführte Versuche umfassen Novolacs mit verschiedensten Molekulargewichten und Zusammensetzungen sowie mit unterschiedlichen Vernetzungsgraden. Zahlreiche andere Resists - sowohl Negativ- als auch Positivresists - wurden als genauso wirksam befunden wie die zumeist benutzten Novolac-Positivresists. Änderungen in der Oberflächenglätte rührten u. a. von unterschiedlichem Ausheizen vor der Ätzung ebenso von unterschiedlichen Resist-definierenden Ätzmitteln her.
Andere Versuchsdaten stützen die konkurrierenden Rekombinations- Ätz-Reaktionen in der Nähe der Wand. Beispielsweise ermöglichen Rekombinationskomponenten im bedeutsamer Resist-Ätzaktivität wenig Profilkontrolle, obgleich sie von Hause aus für eine kurzlebige Ätzkomponente sorgen. Während die Rekombinationskomponente als innerhalb des Plasmavolumens existierend aufgefaßt werden kann kommt es für die Aktivität an der Wand auf die hier vorhandenen Rekombinationskomponente an. Aus Versuchsergebnissen ist es klar, daß die Rekombinationskomponente an der Resistoberfläche wenigstens anfänglich das Ätzprofil des zu ätzenden Materials beeinflußt. Eine Regel, die notwendigerweise die Ergebnisse des vorliegenden Verfahrens liefert, ist anhand des Resist/Rekombinationskomponenten-Paares definiert, vorausgesetzt nur, daß die Rekombinationskomponente nicht von anderem Oberflächenmaterial auf der Wand verbraucht wird. Demgemäß beeinträchtigt, während eine Profilkontrolle unabhängig von der Ätztiefe bei Silicium (für den nominellen CF₃-Rekombinationspartner) beibehalten wird, eine Zwischenschicht aus SiO₂ die Profilkontrolle. Dieses wird durch das bekannte Reaktionsvermögen von CF₃ mit SiO₂ bestätigt.
5. Effektive Ätzmittelkomponente
Vereinfacht gesprochen beruht das vorliegende Verfahren auf einer Konkurrenz zwischen Ätzen und Rekombination. Das Ätzmittel ist nur an Hand seines Anteils relativ zum Rekombinationspartner richtig zu würdigen, ein Parameter, der, wie erwähnt, innig mit einer Reihe Faktoren wie die Resistoberfläche verknüpft ist. Unter der Annahme, daß die Resistwandoberfläche bezüglich der Rekombinationskomponente nahezu gesättigt ist, ist es vernünftig, den Pegel der Rekombinationskomponente als fixiert zu betrachten und die wirksame Konzentration des Ätzmittels zu ändern. Die Bedingungen für ideal anisotropes Ätzen legen den für hohe Schaltungsdichte höchst wünschenswerten Ausgleich zwischen Ätzen und Rekombination fest. Abweichungen in Richtung zunehmender Ätzkomponenten-Anteile führen zu Hinterschneidungen; Abweichungen in Richtung weniger Ätzkomponenten-Anteile können zu negativen Hinterschneidungen führen (je nach der Ätzaktivität der Rekombinationskomponente oder der anderen vorhandenen Komponenten). Im Falle von Ätzkomponenten, die eine nennenswerte Selektivität hinsichtlich des zu ätzenden Materials gegenüber dem darunter liegenden Material haben, können unerwünschte negative Hinterschneidungen durch ausreichend langes Ätzen nach dem Durchätzen korrigiert werden.
6. Verfahrensbedingungen
Für den einschlägigen Fachmann ist die vorliegende Lehre anhand der Beobachtung ausreichend ausgedrückt, daß eine Änderung des Ätzkomponenten/Rekombinationskomponenten-Verhältnisses zu einer Profilkontrolle führt. Das Ziel des Verfahrens ist erhöhte Anisotropie, die mit vernünftigen Ätzgeschwindigkeiten und anderen gewünschten Ätzbedingungen verträglich ist. Die genaue Spezifizierung für den Produktionsfall kann anhand von Versuchsläufen bestimmt werden, in denen die verschiedenen Parameter geändert werden.
Zu Erläuterungszwecken ist es zweckmäßig, die Plasmaätzbedingungen kurz zu beschreiben, wie diese normalerweise benutzt werden. Aus zahlreichen Gründen haben sich Parallel-Platten-Reaktoren durchgesetzt. Sie umfassen Plattenpaare in einer geeigneten Vakuumkammer. Energie, üblicherweise im Hochfrequenzbereich (beispielsweise 13,56 mHz), wird der angesteuerten Platte zur Einleitung und Aufrechterhaltung einer Gasentladung zwischen den Platten zugeführt, wobei die nicht angesteuerte Platte normalerweise auf Erdpotential gelegt wird. Es hat sich gezeigt, daß "Plasmaätzen", wie es hier betroffen ist, verschiedene Verfahren, die üblicherweise anderweitig bezeichnet werden, umfassen kann. Das einzige Erfordernis für die vorliegenden Zwecke ist die hauptsächliche Materialentfernung von der zu ätzenden Oberfläche durch chemische Reaktion, und nicht durch Impulsaustausch, mit vom Plasma freigesetzten aktiven Ätzkomponenten. Z. B. wird bei dem üblicherweise als reaktives Ionenätzen bekannten Verfahren die angesteuerte Elektrode wesentlich kleiner als die Gegenelektrode gemacht und das zu ätzende Material wird auf der angesteuerten Elektrode angeordnet. Bei dem normalerweise als Plasmaätzung bezeichneten Verfahren sind die Elektroden stärker symmetrisch und wird das zu ätzende Material auf der nicht angesteuerten Elektrode angeordnet. Solche Apparaturänderungen, ebenso auch Änderungen der Bedingungen wie Energie, Druck usw., qualifizieren sich auch für das vorliegende Verfahren, vorausgesetzt, daß die Grundforderung, hauptsächliche Entfernung durch chemische Reaktion, erfüllt ist.
Der Steuerung unterliegende Parameter sind in diesen Reaktoren folgende: Reaktionsgaszusammensetzung, Druck, Einlaß-Durchsatz, Leistung, Abstand zwischen den Elektroden und Substrattemperatur. Typische Bereiche für diese Parameter sind:
Druck: 1,33×10-3 - 2,67 Millibar;
Durchsatz: 10-500 Standard cm³/Min;
Leistung: 100-3000 Watt;
Elektrodenabstand: 5-50 mm;
Elektrodendurchmesser: 40,2 cm;
Elektroden-Substrat-Temperatur: 25-250°C.
Nachstehend werden Plasmaätzbedingungen, die als für den bevorzugten Anwendungsfall repräsentativ betrachtet werden, im einzelnen erörtert.
Bei den Reaktorentwürfen ist es wesentlich, daß das vorliegende Verfahren die gewünschten Profile bei Plasmadrücken in der Größenordnung von 0,13 Millibar liefert. Dieses ist im Widerspruch zu vielen bekannten Verfahren, bei denen ideal anisotropes Ätzen nur bei niedrigerem Druck (via Impulsaustausch) erhalten werden konnte. Dieser Druckwert ist die ungefähre Grenze zwischen viskosem Fluß (bei höheren Drücken) und nicht viskosem atomarem, ionischem oder molekularem Fluß bei niedrigeren Drücken. Viskoser Fluß bezeichnet den Zustand, unter dem Stöße innerhalb des Plasmas wahrscheinlicher sind als Stöße zwischen dem Plasma und einer festen Oberfläche. Er bezeichnet demgemäß für typische Plasmaleistungsdichten die Schwellenwertbedingung, unterhalb der wesentliche Strahlungsschäden auftreten können.
Plasmaleistungsdichten von mehreren Watt pro cm³ sind verfügbar. Leistungsdichten wesentlich oberhalb 1 Watt/cm³ verursachen Ungleichförmigkeitsprobleme, und die Plasmastabilität ist bei Drücken in der Größenordnung von 1,33 Millibar und darüber aufrecht zu erhalten.
Ein dritter Parameter, der mit den ersten beiden (Plasmadruck und Leistung) verknüpft ist, ist die Ätzgeschwindigkeit. Vom kommerziellen Standpunkt aus ist dieses ein bedeutsamer Faktor, weil er den Durchsatz bestimmt. Er ist auch bedeutsam dahin gehend, daß niedrigere Ätzgeschwindigkeiten notwendigerweise längere Resist-Expositionen bedingen. Je nach der Dicke der zu ätzenden Schicht kann die Resist-Erosion, die normalerweise einen bedeutsamen Wert annimmt, der begrenzende Faktor werden. Für viele lithographische Verfahren überschreiten praktikable Resistdicken die zu definierende mittlere Dimension nicht stark. Es ist vernünftig, einen Mindestwert für die Ätzgeschwindigkeit bei 30 nm/Min, vorzugsweise bei 50 nm pro Minute festzusetzen. Ätzmitteldiskrimination, wie diese zwischen üblichen zu ätzenden Materialien und den dauerhafteren polymeren Resists vorhanden ist, reicht im allgemeinen aus, einen wirksamen Bruchteil des Resists bei derartigen Ätzgeschwindigkeiten beizubehalten. Für relativ dicke zu ätzende Schichten - Schichten in der Größenordnung µm - geben die obigen Erwägungen Anlaß zu einer Präferenz von Ätzgeschwindigkeiten, die wesentlich oberhalb 50 nm pro Minute liegen.
7. Beispiele
Die nachstehenden Beispiele sind in tabellarischer Form wiedergegeben. Das vorliegende Verfahren wird am besten anhand der Änderung des Verhältnisses von Ätzkomponente zu Rekombinationskomponente- Spezies beschrieben. Demgemäß sind die in der Tabelle angeführten Beispiele alle in derselben Apparatur unter im wesentlichen identischen Bedingungen durchgeführt worden, wobei lediglich das erwähnte Verhältnis variiert worden ist.
Das zu ätzende Material war Polysilicium (= polykristallines Silicium) das mit Phosphor auf einen spezifischen Widerstand von 5×10-3 Ohm-cm dotiert war. Der Rest war in jedem Falle derselbe und zwar ein chinondiazid-sensibilisierter, positiv arbeitender Novolac. Die Resultate sind, wie angegeben, durch viele andere Systeme einschließlich einer großen Vielfalt anderer Resistsysteme bestätigt worden.
Das bei jedem Beispiel benutzte System beruht auf der Einführung von C₂F₆-Cl₂. Es ist besonders brauchbar dahingehend, daß das Reaktionsgas eine einfache, zweikomponentige Gasmischung ist, wobei der eine Reaktant die Rekombinationskomponente und der andere Reaktant die Ätzkomponente liefert. Ähnliche Resultate können beispielsweise mit CF₃Cl + C₂F₆ erreicht werden, die Beziehung zwischen den Reaktanten und den daraus freigesetzten Rekombinations- und Ätzkomponenten ist aber weniger direkt.
Die übrigen Bedingungen für jedes dieser Beispiele waren 400 Watt Plasmaleistung, 0,47 Millibar, 30 mm Elektrodenabstand, 25°C Plattentemperatur (Temperatur der unteren, geerdeten Elektrode diente dabei als Auflage für den zu ätzenden Gegenstand), 175 Standard- cm³ pro Minute Durchsatz ("standardisiert" bei 25°C).
Zusätzlich zu den in der Tabelle angegebenen Beispielen sind weitere Versuche unter denselben Bedingungen aber mit noch höherem Chlorgehalt durchgeführt worden. Der Trend setzt sich fort, und die Ätzung war bis 90% Cl₂ ebenfalls isotrop, wobei sich Ätzgeschwindigkeit und Selektivität erhöhten.
Zahlreiche Versuche mit anderen Systemen zeigten ähnliche Wirkungen, insbesondere den selben allgemeinen Profil-Trend bei einer Änderung des Verhältnisses von Ätzkomponente zu Rekombinationskomponente.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines Festkörper-Bauelements, insbesondere Halbleiter-Bauelementes, in dessen Verlauf ausgewählte Teile einer Oberfläche einer Trockenätzung unter Verwendung einer Ätzmaske aus Resistmaterial unterworfen werden, wobei ein Reaktionsgasgemisch in einem elektrischen Feld in ein Plasma umgesetzt und dabei eine aktive Ätzkomponente, die unter den herrschenden Plasmabedingungen den Materialabtrag vorwiegend im Wege einer chemischen Reaktion besorgt, freigesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - das Reaktionsgemisch neben dem Lieferanten für die im Plasma freigesetzt werdende aktive Ätzkomponente noch einen Lieferanten für eine im Plasma ebenfalls freigesetzt werdende Rekombinationskomponente, die mit der aktiven Ätzkomponente in der Nähe der Resistöffnungen zu rekombinieren vermag, enthält,
  • - im Reaktionsgasgemisch die in ihrem Lieferanten gebundene Reaktionskomponente in einem Überschuß gegenüber der in ihrem Lieferanten gebundenen Ätzkomponente vorhanden ist und
  • - dieser Überschuß durch geeignete Wahl der Konzentration der betroffenen Komponenten des Reaktionsgasgemisches so gewählt wird, daß eine im wesentlichen anisotrope Ätzung erhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktionsgasgemisch die in ihrem Lieferanten gebundene Rekombinationskomponenten gegenüber der in ihrem Lieferanten gebundenen Ätzkomponente in einem molaren Überschuß des Faktors 2 oder mehr vorhanden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktionsgasgemisch ein Druck von wenigstens etwa 0,13 mbar aufrechterhalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma mit einer Leistungsdichte von bis zu etwa 3 Watt/cm³, vorzugsweise bis zu 1 Watt/cm³, erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Resistschicht eine organische polymere Materialschicht verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für eine zu strukturierende Fläche aus Silicium im Plasma
  • - ein Halogenkohlenstoffrest als Rekombinationskomponente und
  • - ein weiteres Halogen in atomarer Form als Ätzkomponente erzeugt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Halogenkohlenstoffrest ein Fluorkohlenstoffrest und für das weitere, atomare Halogen Chlor vorgesehen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluorkohlenstoffrest und das atomare Chlor im Plasma aus einem Reaktionsgasgemisch, das C₂F₆ zusammen mit Cl₂ und/oder CF₃Cl enthält, erzeugt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt des atomaren Chlors zwischen 5 und 14 Volumenprozent, bezogen auf einen Gesamtatomgehalt von Cl und C, eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Brom statt Chlor für das weitere, atomare Halogen eingesetzt wird.
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