DE2930291A1

DE2930291A1 - Verfahren zur herstellung eines gegenstandes unter verwendung von plasmaaetzung

Info

Publication number: DE2930291A1
Application number: DE19792930291
Authority: DE
Inventors: Hyman Joseph Levinstein; David Nin-Kou Wang
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1978-07-31
Filing date: 1979-07-26
Publication date: 1980-02-21
Also published as: IT1123506B; AU4923679A; AU524453B2; NL7905867A; BE877895A; FR2445622B1; SE7906298L; GB2026393A; CA1121306A; JPS5914111B2; JPS5521594A; IT7924774A0; US4256534A; ES482959A1; IL57890A0; NL189738B; IE48605B1; GB2026393B; IL57890A; FR2445622A1

Description

Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes unter Verwendung von Plasmaätzung

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes der im Oberbegriff des Anspruches 1 beschriebenen Art.

Bauelemente und Schaltungen mit feinen Details werden in einem Schritt oder mehreren Schritten hergestellt, die je eine lithographische Auflösung betreffen, gefolgt von einer selektiven Behandlung von Bereichen einer anfänglich kontinuierlichen, homogenen Materialschicht des Bauelementes. Normalerweise wird Lithographie in "aktinischem" Material ausgeführt, das nachfolgend zum Erhalt von öffnungen in der gewünschten Zeichnung entwickelt wird. Solche Muster dienen direkt oder indirekt der Maskierung des zu ätzenden oder anderweitig zu behandelnden Materials. Selektives Ätzen kann in trocken-arbeitenden Verfahren, beispielsweise mit Hilfe einer in einem Plasma erzeugten Spezies erfolgen, wobei diese Verfahren gegenüber dem naßarbeitenden Verfahren dort bevorzugt werden, wo besonders

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feine Auflösung erwünscht ist.

Eine derartige Herstellung wird bei der Produktion von hochintegrierten Schaltungen auf Siliciumbasis, den sog. Silicium-LSIC¹s, aber auch bei der Herstellung diskreter Bauelemente, bei anderen Halbleitertechnologien, bei integrierten optischen Schaltungen, bei magnetischen Speichern etc. verwendet.

LSIC's ebenso auch andere planare Strukturen hoher Auflösung werden generell durch eine Reihe Ebenen hindurch hergestellt. Eine Prozedur, die dem Aufbau der meisten Schaltungen dieser Art gemeinsam ist, betrifft zunächst die Erzeugung einer Maskierschicht innerhalb eines kontinuierlichen Bereichs aktinischen Materials durch selektive Belichtung mit Strahlung, gefolgt von einer Lösungsentwicklung, um Material zu entfernen, das durch die Bestrahlung entweder stärker oder schwächer löslich gemacht wurde. Derartige Maskierschichten haben als diskrete Masken gedient (manchmal mit dem zusätzlichen Schritt einer Replizierung des Musters in einer darunter liegenden Schicht von etwas dauerhafterem Material wie Chrom).

Diese Maskentechnologie, die bei der Herstellung von integrierten Schaltungen auf Siliciumbasis vorherrschend in Ge-

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brauch ist, hat eine beträchtliche Entwicklung zu dem derzeitigen Punkt erfahren, bei dem Entwurfsregelabstände von einigen wenigen μΐη regelmäßig erhältlich sind. Solcherart benutzte diskrete Masken dienen zur Sekundärzeichnung von Mustern in aufwendigen Fotoresistschichten, die für eine tatsächliche Bearbeitung des Bauelementes entwickelt worden sind. In jeder Bearbeitungsebene werden die Fotoresistschichten dann entfernt, um die weitere Herstellung bei der nächsten Ebene zu erlauben.

Es wird allgemein angenommen, daß die Maskentechnologie von einer maskenlosen Technologie (Direktbearbeitung) verdrängt wird, um feineres Auflösungsvermögen und höhere Schaltungselementdichten zu erzeugen. Dementsprechend wird Primärstatt Sekundärzeichnung auf aufwendigen Resistschichten stattfinden, die am bearbeitet werdenden Bauelement haften. Solche Resistschichten können echte Fotoresist-Materialien sein oder zur Verwendung mit kurzwelliger Strahlung vorgesehen sein.

Unabhängig davon, ob nun die Verfahren maskenlos oder nicht maskenlos sind und unabhängig von der im einzelnen getroffenen Technologie betrifft eine allen solchen Herstellungsverfahren gemeinsame Prozedur die selektive Ätzung kontinuierlicher Schichten aus Bauelementfunktions-Material. Derzeit hat sich Naß-Ätzen - beispielsweise in wässrigen, sauren Medien - als befriedigend erwiesen. Mit zunehmender Musterfeinheit-bzw.

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Auflösung werden aber die diesem Verfahren eigenen Beschränkungen kritischer. Flüssige Medien, die mit polykristallinen oder amorphen Schichten reagieren, führen zu einem isotropen Ätzen. Das dabei resultierende Hinterschneiden (Entfernen von Material unter dem Maskiermaterial) setzt eine Grenze für den Abstand.

Zunehmende Miniaturisierung ließ den Wert der trockenarbeitenden Verfahren erkennen. Eine Ätzung durch Impulsübertragung, beispielsweise durch das sog. Ionen-Mahlen (ion milling) führt eine Richtungsabhängigkeit in die Materialentfernung ein und vermeidet Hinterschneiden. Hohe Beschleunigungsfelder, die zur Bombardierung der zu bearbeitenden Oberflächen mit energiereichen Partikeln führen, erzeugen aber eine erneute Problemreihe. Gitterbeschädigung in einigen Fabrikationsebenen kann sogar das Bauelement zerstören.

Am anderen Ende des Spektrums kann die Trockenbearbeitung auf plasmaunterstützen Reaktionen beruhen. Bei der Plasmaätzung beruht beispielsweise die Materialentfernung hauptsächlich auf einer chemischen Reaktion des zu entfernenden Materials mit durch das Plasma erzeugten Ätz-Spezies. Wie bei den mit Impulsübertragung arbeitenden Verfahren kann das geätzte Produkt leicht entfernt werden - in diesem Fall durch eine Systemwahl derart, daß dampfförmige Reaktionsprodukte erhalten werden. Plasmaunterstütztes Ätzen

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kann jedoch isotropes Verhalten haben. Anisotropie kann aus der Verwendung großer Plasmafelder und niedriger Drücke resultieren, aber dieses kann wiederum nicht mehr tolerierbare Gitterbeschädigungen ebenso auch rasche Resist-Erosion zur Folge haben. Wie beim Naß-Ätzen kann unvollkommener Endpunkt-Nachweis/ kompliziert durch ungleiches Ätzen von Plättchen zu Plättchen, nicht nur zu extremem Hinterschneiden, sondern auch zu einer Ätzung darunter liegender Schichten führen. Letzteres wird durch Ätzsysteme vermieden, die eine ausgesprochene Selektivität bezüglich des zu ätzenden Materials im Vergleich zum darunter liegenden Material haben.

Zahlreiche Materialien sind bei der LSIC-Herstellung betroffen. Entsprechend den derzeitigen Entwurfsregeln werden Oxidschichten mit Methan-Sauerstoff-Mischungen befriedigend im Plasma geätzt. Dieselben Mischungen werden auch bei vielen anderen Materialien angewandt, aber die Selektivität ist generell schlecht. Aluminiumschichten oder Aluminiumreiche Schichten werden durch Plasmaspezies geätzt, die von einer Einführung von Kohlenstofftetrachlorid herrühren. CCl₄, eine Flüssigkeit bei Raumtemperatur, ist schwierig zu überwachen. Eine Erwärmung, um die Flüchtigkeit zu erhöhen, führt zu unerwünschter Kondensation in kühlen Bereichen.

Ein bei CCl₄ erkanntes Problem - unzuverlässige Anfangsätzung - ist durch die Verwendung von BCl₃ gelöst worden

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(siehe J. Vac. Sei. Technol., 14, Nr. 1 p. 266 (1977). Ein noch anstehendes Problem bei der Aluminiumätzung ist schlechte Diskrimination, und zwar wegen bedeutsamer Ätzung von SiO-sowie von Si. Ein weiteres Problem, das einer unerwünschten polymeren Bildung zugeschrieben wird, äußert sich in einem unerwünschten Ätzen, nachdem das Bauelement der Atmosphäre ausgesetzt wird. Es wird angenommen, daß schwierig zu entfernende polymere Substanz mit atmosphärischer Feuchtigkeit unter Erzeugung von HCl reagiert, das für das weitergehende Ätzen verantwortlich ist.

Mit der Erfindung wurde nun ein Plasmaätzverfahren gefunden, das sich für aluminiumreiche Materialien eignet und auf der Verwendung einer bestimmten Kategorie von Ätzmittelzusammensetzungen beruht. Mischungen von Bortrichlorid und zweiatomigem Chlor sind für ein Material bespielhaft, das unter dem Einfluß der Plasmaentladung zum erwünschten Ätzverhalten führt, nämlich

1. zu ausgezeichneter Diskrimination für aluminiumreiches Material bezüglich der Resistmaterialien ebenso bezüglich betroffener Substratmaterialien (von 10:1 bis 20:1 für Aluminium auf Silicium oder Siliciumoxid),

2. zu befriedigenden Ätzgeschwindigkeiten für feinlinige Musterherstellung (Geschwindigkeiten bis zu 100 nm/min.

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sind leicht erhältlich),

3. zu schneller Entfernung normalerweise betroffener Passivierschichten (z. B. Al₂O₃), wodurch gleichförmiges Anfangsätzen ermöglicht wird,

4. zu Systemeigenschaften, die zu einer Minimalisierung der "Belastung" führen (Belastung ist die Abhängigkeit der Ätzzeit vom zu ätzenden integrierten Oberflächengebiet) , und

5. zur Steuerung von Ätzwandprofilen, um dadurch glatt vertikales Ätzen zu ermöglichen, wie dieses durch Resistmaskierschichten definiert ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für aluminiumreiche Legierungen (z. B. Al, Al-Cu und Al-Si), die bei der Herstellung von LSIC¹S auf Siliciumbasis ebenso auch bei diskreten Bauelementen Verwendung finden. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens befassen sich mit der LSIC-Herstellung ebenso wie mit der Herstellung ähnlicher Schaltungen, bei denen eine größere Bauelementdichte auf Entwurfsregelabständen im Mikrometer- und Submikrometer-Bereich beruhen (den sehr hoch integrierten Schaltungen, den sog. VLSIC's).

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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie seine Weiterbildungen sind in den Ansprüchen gekennzeichnet und nachstehend im einzelnen beschrieben.

1. Allgemeines

Das vorliegende Verfahren wird hauptsächlich anhand der Bauelement- oder Schaltungsherstellung beschrieben. Während das Verfahren hierauf nicht beschränkt ist, betreffen die hier interessierenden Verfahrensschritte generell das Trocken-Ätzen von Aluminium enthaltendem Material. Die Aspekte des Verfahrens befassen sich mit Ätzgeschwindigkeiten, Diskrimination, Profil usw. Diese Erwägungen sind ihrerseits sowohl von der Zusammensetzung als auch von den Bearbeitungsbedingungen abhängig und sind Gegenstand der nachfolgenden Abschnitte.

2. Terminologie

Zur Klarstellung einiger hier wesentlicher Begriffe seien diese wie folgt erläutert.

Plasmaunterstützes Ätzen: Dieser Ausdruck, der derzeit noch nicht generell benutzt wird, soll die zahlreichen Prozeduren erfassen, bei denen der Ätzvorgang hauptsäch-

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lieh die Folge einer chemischen Reaktion mit einem Ätzmittel innerhalb des Plasmas ist. Diese Prozesse betreffen notwendigerweise eine chemische Reaktion, die zu einer Reaktionsprodukt-Spezies führt, die selber gasförmig ist oder nach Durchlaufen weiterer Reaktionen gasförmig wird. Betroffene Prozeduren sind "Plasmaätzen" (bei dem der zu ätzende Artikel auf der nicht angesteuerten (im allgemeinen geerdeten) Elektrode angeordnet ist), "reaktives Ionenätzen", bei dem der zu ätzende Gegenstand auf der angesteuerten (der auf Spannung liegenden) Elektrode angeordnet ist und bei dem die verringerte Größe dieser Elektrode zu einer beabsichtigten Feldkonzentration führt, "reaktives Zerstäubungsätzen" usw. Nicht betroffene Prozesse sind jene, bei denen die Materialentfernung hauptsächlich durch Impulsübertragung anstelle einer chemischen Reaktion stattfindet. Demgemäß ist es nicht beabsichtigt, das Ionen-Mahlen einzuschließen, auch nicht Verfahren, die im allgemeinen unter dem Begriff "Zerstäubungsätzen" laufen.

Belastung: Abhängigkeit der Ätzgeschwindigkeit vom zu ätzenden Oberflächengebiet. Da der Effekt, wenigstens im Prinzip, nie ganz eliminiert wird, ist es zweckmäßig, eine numerische Grenze zu setzen. Für diese Zwecke definiert ein Zuwachs um 10 % der erforderlichen Ätzzeit mit einer zehnfachen Zunahme des zu ätzenden Oberflächengebietes den Einsatz der Belastung.

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Aluminiumreich: Wie der Ausdruck angibt, sollen hierunter Materialien mit wenigstens 50 % Aluminium verstanden werden. Zusätzlich wird jedoch gefordert, daß die in diese Kategorie fallenden Materialien die Ätzeigenschaften f zeigen, die auch elementarem Aluminium zugeordnet sind. Demgemäß können, ob nun unbeabsichtigte Verunreinigungen oder beabsichtigte Legierungszusätze vorhanden sind, die betroffenen aluminiumreichen Materialien, die üblichen Passivierungsschichten, wie diese unter dem Einfluß der Atmosphäre entstehen, haben, sollten aber andererseits das allgemeine Ätzverhalten des elementaren Materials besitzen. Bestimmte Legierungszusätze wie Silicium und Kupfer, die beide bei der LSIC-Herstellung Verwendung findenr werden in kleinen Mengen vorhanden sein - in der Größenordnung einiger weniger Prozent.

Andere Zusätze, die von sich aus dem Aluminium ähnlich sind, können in größeren Mengen vorhanden sein, so daß

t die resultierende Zusammensetzung immer noch mit Vorteil dem vorliegenden Verfahren unterzogen werden kann.

Ätzmittel-Spezies: Sie ist jene Spezies, der die Materialentfernung generell zuzuschreiben ist. Untersuchungen haben eindeutig gezeigt, daß die Hauptätzmittel-Spezies nur in der Plasmaumgebung existiert. Andere Versuchser-

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gebnisse legen nahe, daß die Hauptätzmittel-Spezies im Plasma entweder bei der geätzt werdenden Oberfläche oder in einem Abstand hiervon existiert. Die Schlußfolgerungen hierfür ergaben sich auf der Grundlage eines Nachweises durch spektroskopische Analyse. Die Identifizierung der Ätzmittel-Spezies erfolgt für die vorliegenden Zwecke nur der Erläuterung halber und ist nicht im beschränkenden Sinne aufzufassen. Auf dieser Basis wird die Ätzung generell einem atomaren Halogen, im allgemeinen atomarem Chlor, zugeschrieben. Falls nicht anderweitig angegeben, umfaßt der Ausdruck nicht vergleichsweise inerte Zusätze wie jene, die hauptsächlich als Träger und/oder Verdünnung dienen.

Ätzprofil: Dieses bezieht sich auf die Form der Wand und deren Lage vor und nach dem Ätzen, wobei die Lage bezüglich des definierenden Maskenrandes definiert ist. Verschiedene Ausdrücke werden zur Kennzeichnung der einzelnen Profile verwendet.

Glatt verlaufende Wand: Es ist dieses die glatte vertikale Wand (vertikal gegenüber der Ebene der geätzten Oberfläche), deren Position etwa mit dem Rand der definierenden Maskenschicht zusammenfällt, also in diese "glatt" übergeht. Im allgemeinen wird angenommen, daß der Maskierrand nicht nennenswert erodiert ist, so daß der betroffene Rand der ist, wie er vor dem Ätzen vorhanden ist. Glatt verlaufende

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Ätzwände erfordern von Haus aus anisotropes Ätzen.

Hinterschneidung: Der Ausdruck bezieht sich auf eine Ätzwand, die durch Ätzen unterhalb des Resistmaterials unabhängig von der Wandkonfiguration (d. h. durch "Hinterschneiden") entstanden ist.

Negative Hinterschneidung: Der Ausdruck bezieht sich auf den komplementären Zustand, bei dem das während der Ätzung bloßgelegte Gebiet in der Größe mit zunehmender Ätztiefe abnimmt, so daß die Ätzwände wenigstens teilweise innerhalb des nicht maskierten Gebietes liegen.

Isotrop: Der Ausdruck bezieht sich auf ein Ätzen, bei dem der Materialabtrag tatsächlich richtungsunabhängig ist. Reine isotrope Ätzung führt zu Ätzmerkmalen, deren seitliche Abmessungen mit der Tiefe abnehmen. Die Hinterschneidung unterhalb des schützenden Resistrandes sollte der Ätztiefe bei jedem Niveau gleichen.

Anisotropie (anisotropes Ätzen, anisotropes Bearbeiten usw.) Der Ausdruck dient zur Unterscheidung gegenüber Isotropie, d. h. zur Kennzeichnung eines jeden Richtungsabhängigkeitsgrades, die eine Abweichung von der Isotropie darstellt. Aus Zweckmäßigkeitsgründen wird hierzu angenommen, daß

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die Abweichung wenigstens um 10 %, bezogen auf die Gesamtheit einer linearen Dimension in der gewünschten Ätzrichtung, sein muß. Der Ausdruck echt oder rein anisotrop bezieht sich auf das generelle Idealverhalten, das zu einer glattverlaufenden, vertikalen Ätzwand führt.

3. Ätzmittelvorläufer-Zusammensetzung

Die Zusammensetzung wird anhand der bevorzugten Mischung von BCl₃ und Cl_ erörtert. Das Wirkungsprinzip ist jedoch ausweichend allgemein um zahlreiche Alternativen zu umfassen. So können beispielsweise das Chlorid oder oder Chlor durch andere Halogene und Bor durch andere Kationen ersetzt werden. Derartige Substitutionen können ■allerdings Anlaß zu Komplikationen geben, die zwar beseitigbar aber nicht gerechtfertigt sein mögen. Beispielsweise kann zwar Brom oder Bromid verwendet werden, das Reaktionsprodukt AlBr₃ ist jedoch nicht flüchtig (im Gegensatz zu AlCl₃), so daß die Entfernung kompliziert wird und möglicherweise Anlaß zur Verwendung eines gasförmigen Reaktionsmittels oder eines inerten Trägers oder anderen Mitteln gibt, um das normalerweise nicht flüchtige AlBr₃ zu entfernen. Jod, das weniger reaktionsfreudig als Brom ist, ist gleichfalls nicht flüchtig. Fluor führt zu

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einer Passivierung einer aluminiumreichen Oberfläche und sollte als das einzige zweiatomige Gas nicht eingeschlossen sein.

Die Zusammensetzung, wie sie anhand der beiden wesentlichen Vorläufer-Bestandteile der bevorzugten Ausführungsform ohne Berücksichtigung von Trägergasen, Verdünnungsmitteln usw. zu verstehen ist, zentriert sich bei etwa 5 Volum-Prozent Cl_. Diese mittlere Zusammensetzung hat sich als wünschenswert hinsichtlich Ätzgeschwindigkeit und Selektivität erwiesen. Der Gesamtbereich - anhand derselben Ausdrücke definiert - liegt zwischen 0,1 und 20 % Cl₂ und darüber, vorzugsweise zwischen 0,5 und 8 %, und definiert einen Zusammensetzungsbereich, der sich für die meisten betroffenen Fälle eignet. Zunehmende Chloranteile oberhalb des bevorzugten Maximalwertes führen zu einer zunehmenden Ätzgeschwindigkeit, sie sind aber im allgemeinen von einer Tendenz in Richtung Hinterschneiden begleitet. Diese Tendenz in Richtung Hinterschneiden kann durch Erhöhen der Leistung und/oder Erniedrigen des Druckes im Plasma erniedrigt werden, dieses aber wiederum kann Anlaß zu strahlungsinduzierten Gitterdefekten geben. Chlorgehalte unter 0,5 Volum-Prozent führen bei gegebenen Bedingungen zu einer Abnahme der Ätzgeschwindigkeit reichlich unter 100 nm/min. Ein derart kleinerer Chlor-

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ORIGINAL INSPECTED

gehalt mag für Schichtdicken wünschenswert sein, die bei einem μΐη oder darunter liegen.

Als wahrscheinliche unbeabsichtigte Bestandteile, die toleriert werden können, seien Sauerstoff bis 5 % (größere Anteile führen zu einem nennenswerten Resist-Angriff), Wasser unterhalb etwa 1 % und Kohlendioxid bis zu mehreren Prozent genannt. Andere, beabsichtigte Zusätze können vorhanden sein. Einige dieser können als einfaches Verdünnungsmittel oder als Träger dienen. Andere können zur Steuerung der Entladungsbedingungen dienen. Beispiele der ersteren sind N„, He und Ar. Während Plasmas als extrem stabil beobachtet werden, könnte die Verwendung sehr hoher Leistung Anlaß zu einer Einschnürung geben, die durch einen Heliumzusatz vermieden werden kann.

4. Ätzmittel-Zusammensetzung

Entsprechend den vorangegangenen Abschnitten erfolgt die Erläuterung anhand der beispielhaften Mischung BC1^-C1„. Die Endproduktanalyse, ebenso auch andere Beobachtungen führen zu dem Schluß, daß die Hauptätzmittel-Spezies atomares Chlor ist. Von BCl₃ oder von dessen Plasmaderivaten wird angenommen, daß sie als ein Rekombinationspartner dienen und dadurch die von Hause aus gegebene Ätzmittel-Spezies-Lebensdauer verkürzen. In Übereinstimmung mit

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"The Loading Effect in Plasma Etching", J. of the Electrochemical Society, 124, Nr. 8, S. 1262 (8/77), verringert eine verkürzte Ätzmittel-Spezies-Lebensdauer den Belastungseffekt. Die bevorzugte Zusammensetzung wird im Hinblick auf Systemeigenschaften erörtert, wie diese bei der Herstellung von Bauelementen angewandt werden, deren zu ätzenden Schichten Dicken im Mikrometer? und Submikrometerbereich haben. Wiederum haben bei Betrachtung der bevorzugten BCl-^-Cl^-Mischung alle anderweitig geeigneten Zusammensetzungen das Hauptattribut guter Diskrimination gegenüber dem Resist gemeinsam. Extreme in der Zusammensetzung, ebenso auch mittlere Zusammensetzungen führen zu derart leichtem Resist-Angriff, daß dieser im allgemeinen nicht feststellbar ist. In ähnlicher Weise ist die Diskrimination gegenüber dem darunter liegenden Material (beispielsweise einem elementares Silicium oder Silicium in gebundener Form enthaltenden Material) für den gesamten betrachteten Zusammensetzungsbereich gut.

Kritische Parameter, die bei der Bestimmung von Parameterbereichen berücksichtigt werden, sind 1) die Ätzgeschwindigkeit und 2) das Ätzprofil. Obgleich in einigen Herstellungsfällen isotrope Profile toleriert werden können, geben Entwurfsregelabstände in der Größenordnung einiger weniger um und darunter generell Anlaß zu einem Wunsch

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nach verringerter Hinterschneidung. Ein im allgemeinen bevorzugter Parameterbereich kann auf der Basis des Verhältnisses der Ätzgeschwindigkeit in einer zur geätzt werdenden Oberfläche parallelen Richtung zur Ätzgeschwindigkeit in der zu dieser Oberfläche senkrechte Richtung festgesetzt werden. Für viele Zwecke ist ein Verhältnis 1:3 oder besser ausreichend, wenngleich ein natürliches Bestreben nach idealer Anisotropie vorhanden ist, für die dieses Verhältnis den Wert null annimmt.

Für die in Rede stehenden Parameterbereiche hängt die Ätzgeschwindigkeit hauptsächlich vom Druck innerhalb des Plasmas und von der Leistung ab, wobei mit abnehmendem Wert eines jeden dieser Parameter die Ätzgeschwindigkeit abnimmt. Für viele Zwecke ist eine Ätzgeschwindigkeit von etwa 40 nm pro Minute tolerierbar. Diese Geschwindigkeit beruht auf der Annahme, daß die Schichtdicken in der Größenordnung von 100 oder ein paar hundert nm liegen können, so daß die gesamte Ätzzeit einige wenige Minuten beträgt.

Auf der Basis der obigen Annahmen können die Grenzen für Druck und Leistung angegeben werden als 0,05 bis 0,6 Torr (= 0,066661 bis 0,799932 Millibar) bzw. 0,035

bis 0,7 Watt pro cm . Diese Parameter sind ihrerseits

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mit dem Chlorgehalt verknüpft.

Es wurde gefunden, daß bei abnehmender Ätzgeschwindigkeit (wenn der Druck oder die Leistung das angegebene Minimum erreicht) der zugelassene Chlorbereich zunimmt. Allgemein gilt für zunehmenden Druck, daß der zugelassene maximale Chlorgehalt abnimmt. Der Chlorgehalt liegt generell in einem Bereich von etwa 0,5 bis etwa 8 %. Ein maximaler Chlorgehalt für ideale Anisotropie liegt etwa bei 6 %. Alle Chlorgehalt-Prozentsätze beziehen sich auf die gesamte BCl₃-Cl₂-Mischung. Der Chlorgehalt ist auch mit der Ätzgeschwindigkeit verknüpft, da zunehmender Chlorgehalt zu einer zunehmenden Ätzgeschwindigkeit führt. Die Mindestgrenze von 0,1 % ist auch das absolute Minimum hinsichtlich der Ätzgeschwindigkeit.

Es ist nun möglich, die miteinander verknüpften Parameter zu spezifizieren, um zur gewünschten Anisotropie und gewünschten Ätzgeschwindigkeit zu gelangen. Vom Anisotropie-Standpunkt her (von einem Anisotropie-Verhältnis, dessen Güte wenigstens 1:3 beträgt) reicht der Chlorgehalt von 0,1 % (vom Anisotropie-Standpunkt her gesehen für jeden Druck-Leistung-Wert innerhalb des angegebenen Bereiches geeignet) bis zu etwa 8% für einen Bereich von Druck-Leistung-Werten, wie dieser definiert ist durch Mindestdruck und begleitende Leistung sowie durch Mindest-

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leistung und begleitenden Druck

(0,05 Torr (= 0,066661 Millibar)) - 0,2 Watt/cm bzw.0,2 Torr (= 0,26664 Millibar) - 0,035 Watt/cm²), jedoch nur bis etwa 0,5 % für den maximalen Druck-Leistung-Wert (0,6 Torr (= 0,799932 Millibar) - 0,7 Watt/cm²).

Parametereinschränkungen für bevorzugte Ausführungsformen rühren von dem Wunsch nach ei:ier Ätzgeschwindigkeit von wenigstens etwa 10 nm pro Minute, ebenso von dem Wunsch nach einem bestimmten Ätzprofil her. Es wurde gefunden, daß letzteres eine Grenze von etwa 80 bis 100 nm pro Minute setzt, wobei ein weiterer Zuwachs der Ätzgeschwindigkeit zu einer Tendenz in Richtung nahezu Isotropie führt.

Die Ätzgeschwindigkeitsgrenzen entsprechen generell den Druck-Leistung -Bereichen von 0,1 Torr (0,133322 Millibar) - 0,1 Watt/cm² bis 0,5 Torr (= 0,66661 Millibar) - 0,5 Watt/cm². Die Chlorgehalte entsprechend diesen beiden Grenzen liegen zwischen den Werten 0,5 bis 7 Volum-Prozent bein Mindestleistung druck-Paar und den Werten 0,5 bis 2 Volum-Prozent bei maximaler Leistung und maximalem Druck.

Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, daß eine Profilkontrolle für niedrigere Chlorgehalte möglich ist und tatsächlich glatt verlaufende Wände ermöglicht. Von der Rekombi-

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nation wird angenommen, daß diese besonders bei oder in der Nähe der Wände stattfindet. Dieser Effekt ist in der am gleichen Anmeldetag wie die vorliegende Anmeldung fein*- gereichten deutschen Patentanmeldung entsprechen! der US-Voranmeldung 929 549 vom 31. 7. 1978 der Anmelderin beschrieben.

Während die Beschreibung hauptsächlich anhand des bevorzugten Systems BCl₃-Cl₂ erfolgt ist, erfolgt die allgemeinere Beschreibung anhand der Einführung von Materialien, die zu einem atomaren Halogen (z. B. Chlor) zusammen mit einem Halogenid als Reaktionspartner (z. B. ein Chlorid von Bor).

5. Zu ätzende Materialien

Das vorliegende Verfahren befaßt sich hauptsächlich mit der Ätzung von aluminiumreichen Materialien. Betroffene Materialien, die während der Ätzung das allgemeine Verhalten von Aluminium zeigen, sind dem einschlägigen Fachmann bekannt. Für die vorliegenden Zwecke sind die betroffenen Materialien und Legierungen jene, die wenigstens 50 Atom-Prozent Aluminium enthalten. Derart große Legierungszusätze sind nur möglich, wenn eine vernünftig enge chemische und physikalische Ähnlichkeit erhalten bleibt.

Bei der LSIC-Herstellung, sowohl auf der Basis von Silicium 11

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als auch auf anderweitiger Basis ist ein bedeutsames Anwendungsgebiet für das aluminiumreiche Material einfach das eines elektrischen Leiters. Betroffene Legierungszusätze sind in kleineren Mengen vorhanden und beziehen sich im allgemeinen auf Eigenschaften, die mit der Leitfähigkeit nicht verknüpft sind. So ist es beispielsweise bekannt, daß kleine Mengen von Silicium, d. h. bis zu 5 % - wahrscheinlich bis unterhalb 10 % - in Aluminiumschaltungen vorhanden sein können, die in direktem Kontakt mit siliciumreichem Material stehen. Der Zweck hier ist,das Aluminium (generell Aluminium mit etwa 2 % Silicium) vorzusättigen, um ein Auflösen und "Durchlöchern" darunter liegender siliciumreicher Schichten zu vermeiden. Eine Beimischung von Kupfer, im allgemeinen nominell von etwa 4 Gew.-% ist bei der Herstellung von Magnetblasengranatschaltungen brauchbar. Kupfer reduziert eine Elektrodiffusion, die sonst eine Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften des Grantes verursachen könnte.

6. Weitere Erwägungen hinsichtlich der Zusammensetzung

Ein wichtiges Attribut der Ä*tzsysteme des vorliegenden Verfahrens ist die Zusammensetzungs-Diskrimination. Unter üblichen Bedingungen liegt wahrscheinlich das Ä'tzgeschwindigkeitsverhältnis der Ätzmittel des vorliegenden Verfahrens für aluminiumreiche Legierungen gegenüber den im allgemeinen betroffenen darunter liegenden Flächen zumeist im Bereich von

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10:1 bis 20:1. Solche darunter liegenden Flächen sind Siliciumoxid, ebenso auch ein- oder polykristallines Silicium. Die Diskrimination für aluminiumreiches Material gegenüber Resistmaterialien auf Novolac-Basis ist ebenfalls gut und beträgt wenigstens 10:1. Anhand anderer Versuchsergebnisse hat sich gezeigt, daß der Ätzmittelangriff bei anderen Bearbeitungsresistmaterialien (im Unterschied zu Maskierresistmaterialien) adäquat ist. Es scheint, daß die einzigen darunter liegenden Oberflächenmaterialien, die problematisch sein können, jene sind, die Aluminium ähneln, d. h. Erdalkalimetalle und andere Elemente oder damit verwandte Legierungen, die wesentlich unterhalb der Atomzahl von Silicium liegen. Selbst dort, wo die Diskrimination nicht groß ist, können andere Eigenschaften des vorliegenden Ätzmittelsystems dessen Anwendung empfehlen.

7. Bearbeitungsbedingungen

Das vorliegende Verfahren kann in jedem auch ansonsten geeigneten Reaktor ausgeführt werden. Fließmuster, die zu gleichförmigem Ätzen führen, sind selbstverständlich erwünscht und die hier beschriebenen Versuche sind generell in solchen Apparaturen ausgeführt worden. Eine Apparatur, in diesem Fall für radiales Fließen, ist beschrieben in

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"Etching for Pattern Definition" von A. R. Reinberg, (H. G. Hughes und M. J. Rand, Eds.), The Electrochemical Society, Inc. Princeton, NJ, 1976; und R. G. Poulsen, J. Vac. Sei. Technol., 14, 266 (1977).

Parallelplattensysteme (mit parallelen Elektrodenplatten) umfassen Plattenpaare innerhalb eines Vakuumgefäßes. Die Leistung, die üblicherweise im Hochfrequenzbereich (beispielsweise bei 13,56 Megahertz) liegt, wird der angesteuerten Platte zugeführt, um eine Entladung zwischen den Platten einzuleiten und aufrecht zu halten. Die nicht angesteuerte Platte wird normalerweise auf Erdpotential gelegt. Wie angegeben, kann "Plasmaätzen" zahlreiche Prozeduren umfassen, die üblicherweise anders bezeichnet sind. Für die vorliegenden Zwecke gilt die einzige Forderung, daß die Entfernung des zu ätzenden Oberflächenmaterials hauptsächlich im Wege einer chemischen Reaktion und nicht durch Impulsaustausch erfolgt. Abweichungen in der Verfahrensbezeichnung können beispielsweise herrühren aufgrund der gegenseitigen Größe der Elektroden, oder aufgrund der Anordnung der Plättchen entweder auf der angesteuerten oder der nicht angesteuerten Elektrode. Bei dem allgemein als reaktives Ionenätzen bekannten Verfahren ist die angesteuerte Elektrode wesentlich kleiner als die Gegenelektrode, und das zu ätzende Material wird auf der angesteuerten Elektrode angeordnet. Im Falle des normalerweise als Plasma-

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ätzen bekannten Verfahrens sind die Elektroden stärker symmetrisch und das zu ätzende Material wird auf der nicht angesteuerten Elektrode angeordnet. Derartige Apparaturabwandlungen, ebenso auch Änderungen bei den Verfahrensbedingungen wie Leistung, Druck usw., qualifizieren sich gleichfalls für das vorliegende Verfahren, vorausgesetzt, daß der Grundsatz (Materialentfernung hauptsächlich durch chemische Reaktion) erfüllt ist.

Die Parameter, die in solchen Reaktoren der Steuerung unterliegen, sind: Ätzgaszusammensetzung, Druck, Durchsatz auf der Einlaßseite, Leistung, Abstand zwischen den Elektroden und Substrattemperatur. Typische Bereiche für diese Parameter sind

Druck: 0,1 bis 1 Torr (= 0,133322 bis 1,33322 Millibar) Durchsatz: 10 bis 500 Standard-cm /min. Leistung: 100 bis 3000 Watt
Elektrodenabstand: 5 bis 50 um
Substrattemperatur: 25 bis 250 ⁰C

8. Beispiele

a) Apparatur

Die Versuche wurden in einer Radialströmungsapparatur, wie erwähnt, beschrieben. Der Platten- bzw. Elektroden-

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durchmesser war 17 Zoll (= 43,3 cm), und der Elektrodenabstand war 1 Zoll (= 2,54 cm). Beide Elektroden waren hohl, um eine Temperatursteuerung, generell durch Beheizung oder Kühlung mit Wasser, zu ermöglichen. Die zu ätzenden Proben waren auf der unteren Elektrode angeordnet, die auf Masse-Potential lag.

Der Reaktor war mit der Vakuumpumpe über eine Flüssigstickstoff-Kühlfalle verbunden, um Korrosionsschäden der Pumpe zu minimalisieren. Die Kühlfalle diente auch zur Kondensierung jeglichen Wasserdampfes und erhöhte die Pumpgeschwindigkeit gegenüber Wasser wirksam.

b) Beschickung

Soweit nichts angeres angegeben sind die Versuche mit nur einem einzigen dreizölligen (= 7,6 cm) Plättchen ausgeführt worden, das eine maskierte Schicht aus aluminiumreichem Material trug. Die Schicht hatte eine Dicke von 0,5 bis 1 μπι auf SiO₃. Während bei den Beispielen durch Wasserdampf oxidiertes Silicium verwendet wurde, zeigten andere Experimente, bei denen andere Siliciumoxidformen benutzt worden sind, keine feststellbare Änderung in der Diskrimination.

c) Verfahren

Bei noch geschlossener Kammer wurde etwa 80 ⁰C heißes

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Wasser einige Minuten lang durch beide Elektroden hindurchgeschickt/ um die Wahrscheinlichkeit einer Wasserkondensation während der Beschickung zu minimalisieren. Die Kammer wurde dann geöffnet und das Plättchen auf der unteren Elektrode angeordnet. Sodann wurde die Kammer geschlossen und die Pumpe eingeschaltet. Nach Erhalt eines Druckes von etwa 0,03 Torr (= 0,0399966 Millibar) wurde das Heißwasser durch fließendes Kaltwasser von etwa 25 ⁰C ersetzt. Das Pumpen wurde fortgesetzt, bis sich ein Grunddruck von einigen wenigen Millitorr (ein Millitorr = 1,33322 Mikrobar) erhalten wurde, worauf die Ätzmittelvorläufer-Gase eingeführt wurden. Die Einführung der Gase wurde innerhalb gewisser Grenzen geändert, um zu beobachteten Drücken von 0,1 bis 0,35 Torr (= 0,133322 bis 0,466627 Millibar) zu führen (was für die benutzte Apparatur und die angegebenen Bedingungen Durchsatzgrenzen von 37 bis 180

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Standard-cm /min. entsprach (Standard-cm bezieht sich auf ein Gasvolumen von 1 cm bei einem Druck von einem Bar und einer Temperatur von 25 ⁰C)). Die Gasmischung wurde zum Erhalt eines Plasmas mit einer Entladung bei 13,56 Megahertz und 400 bis 600 Watt (entspricht 0,25

bis 0,4 Watt/cm ) gezündet. Die Ä'tzgeschwindigkeiten lagen zwischen 30 und 100 nm pro Minute. Der Schlußpunkt wurde allgemein durch eine Druckzunahme (infolge

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des größeren Volumens des unreagierten Ätzmittels) bestimmt. Bei anderen Versuchen wurde der Schlußpunkt durch Emissionsspektroskopie - durch Beobachtung des Verschwindens des AlCl₃-Bandes - bestimmt. Die Bedingungen wurden so gesteuert, daß eine Ätzzeit von 5 bis 20 Minuten resultierte.

Beispiel 1

Eine 400 nm dicke Schicht aus einer Aluminium-Kupfer-Legierung mit 4 % Kupfer wurde unter folgenden Bedingungen geätzt.

Leistung: 600 Watt

Druck: 0,1 Torr (= 0,133322 Millibar) Reaktionspartnervorläufer-Gasmischung: 5 Volum-Prozent Cl₃

Rest BCl₃

Durchsatz: 39 Standard-cm /min.
Ätzgeschwindigkeit: 30 nm/min.

Profil: Ideal anisotrope, flache, vertikale Ätzwand, deren Lage im wesentlichen der des ursprünglichen Resistrandes entspricht.

Beispiel 2

Eine 1 μΐη dicke Al-Cu-Si-Legierungsschicht mit 0,5 % Kupfer, 0,75 % Silicium, Rest Aluminium, wurde unter folgenden Bedingungen geätzt:

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Leistung: 400 Watt Druck: 0,35 Torr (= 0,466627 Millibar) Reaktionsmittelvorläufer-Gasmischung: 2 % Cl-, Rest BCl₃ Durchsatz: 189 Standard-cm /min.

Ätzgeschwindigkeit: 100 nm/min.

Profil: wie bei Beispiel 1

Beispiel 3

Eine 700 nm dicke Al-Si-Legierungsschicht mit 2 % Si, Rest Aluminium, wurde unter folgenden Bedingungen geätzt

Leistung: 600 Watt Druck: 0,1 Torr (= 0,133322 Millibar) Reaktionsmittelvorläufer-Gasmischung: 5 Volum-Prozent Cl

Rest BCl₃

Durchsatz: 39 Standard-cm /min. Ätzgeschwindigkeit: 30 nm/min. Profil: wie bei Beispiel 1

Beispiele 4 bis 11

Diese Beispiele wurden an der Legierung des Beispiels (0,5 Cu, 0,75 Si, Rest Al) ausgeführt. Die Bedingungen waren wie nach Beispiel 2. Die Gaszusammensetzung wurde wie folgt geändert:

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Beispiel	Vol.% Ci₂	Ätzge schwin digkeit	Profil '
4	1	52	anisotroo- hinterschnitten 1:2
5	2	80	ideal anisotrop 0:1
6	3	93	anisotrop- hinterschnitten 1:3
7	4	100	isotrop
8	5	138	isotrop 1:1
9	6	150	isotrop 1:1
10	10	-150	isotrop 1:1
11	20	~150	isotrop 1:1

*) ausgedrückt als das Verhältnis von Lateralätztiefe zu Vertikalätztiefe

Beispiele 12 bis 14

Diese Beispiele wurden sämtlich an der Aluminiumlegierung nach Beispiel 2 mit einem eingeführten Chlorgehalt von 6 Volum-Prozent bei einem Druck von 0,16 Torr (= 0,2133152 Millibar) ausgeführt. Der geänderte Parameter war die Leistung, wobei jeweils die resultierende Ätzgeschwindigkeit und das resultierende Profil angegeben sind.

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Beispiel	Leistung	Ätzge	Profil	0:1
	Watt	schwin	(definiert
		digkeit	wie vor)	1:6
		nm/min.
12	400	39	ideal anisotrop
13	500	46	anisotrop-
			hinterschnitten
14	600	58	isotrop 1:1

Beispiele 15 bis 17

Diese Beispiele beruhen alle auf einem Chlorgehalt von Volum-Prozent und einer Leistung von 400 Watt; und es wurde der Druck geändert.

Beispiel	5
1	6
1	7
1

Druck (Torr *)

0,350 0,200 0,100

Ätzgeschwin digkeit (nm/min)

140 95 41,7

Profil

anisotrop anisotrop anisotrop

') 1 Torr = 1,33322 mbar

16/17

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ORIGINAL INSPECTED

Der Resistangriff war bei den Beispielen 15 bis 17 für die betroffenen Zwecke akzeptabel.

Beispiele 18 bis 20

Dies·? Beispiele wurden mit einem fixierten Chlorgehalt von 5 Volum-Prozent bei einem fixierten Druck von 0,1 Torr (= 0,133322 Millibar) und bei sich ändernder Leistung ausgeführt.

Beispiel Leistung Ätzge- Profil

(Watt) schwindigkeit (nm/min)

18 400 32 anisotrop

19 500 38 anisotrop

20 600 52 anisotrop

Der Resistangriff war bei den Beispielen 18 bis 20 für die meisten betroffenen Anwendungsfälle akzeptabel.

Beispiel 21

Es wurde wie nach Beispiel 1 gearbeitet, jedoch mit einem Heliumzusatz dergestalt, daß ein Druck von etwa 0,2 Torr (= 0,266644 Millibar) resultierte, was einem Heliumanteil

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von etwa 50 Volum-Prozent in der Gesaintgasmischung entspricht. Die Ätzung war isotrop. Die Ätzgeschwindigkeit war höher. Die Auswirkungen auf die anderen beobachteten Eigenschaften waren klein.

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Claims

BLUMBACH · W£SER · BEROEN · KRAMER ZWIRNER · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2930291

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Western Electric Company Levinstein 24-2

Incorporated

New York N. Y.

Patentan Sprüche

( 1.,Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, in

V J

dessen Verlauf eine Materialoberfläche des Gegenstandes wenigstens in selektiven Bereichen zu ätzen ist und hierzu der Gegenstand in einer Plasma-Umgebung innerhalb einer Apparatur geätzt wird, wobei das Plasma von einem eine Gasmischung durchsetzenden elektrischen Feld zwischen zwei Elektroden herrührt, das zu ätzende Material eine elementare, aluminiumreiche Zusammensetzung umfaßt und der Ätzvorgang hauptsächlich die Folge einer chemischen Reaktion mit dem zu ätzenden Material ist,
dadurch gekennzeichnet, daß

München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Wesor Dipl.-Phys. Dr. rer. na'. · H. P Brehm Dlpl.-Chem. Or. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. . P. Bergen Dipl.-Ir.g. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W-ng.

zur Verbesserung der Kontrolle über das Ätzprofil des elementaren, aluminiumreichen Materials, beispielweise zum Erhalt glatt vertikaler, hinterschnittener oder negativ-hinterschnittener Wände der ausgewählten Bereiche, in der Gasmischung eine Mischung von BCl, und Cl₂ vorhanden ist, die in dem Plasma zu der chemischen Reaktion führt, wobei der Cl₂-Gehalt in der Gasmischung 0,1 bis 20 Volum-Prozent, ausgedrückt in Prozent des Gesamtgehalts an BCl₃ plus Cl₃, beträgt, und wobei Druck und Leistung in der Plasmaumgebung zwischen 0,05 und 1 Torr (= 0,066661 bis 1,33322 Millibar) bzw. zwischen 0,035 und 0,7 Watt/cm² gehalten werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

der Cl₂~Gehalt zwischen 0,5 und 8 Volum-Prozent, ausgedrückt in Prozent des Gesamtgehalts von BCl₃ plus Cl₂, beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mindestdruck-Leistung-Werte eingestellt werden auf

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O,5 Torr - 0,28 Watt/cm² und 0,2 Torr - 0,035 Watt/cm² (= 0,66661 Millibar - 0,28 Watt/cm² und 0,266644 Millibar - O,o35 Watt/cm²).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aluminiumreiche Material wenigstens 50 Atom-Prozent Aluminium enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aluminiumreiche Oberfläche im wesentlichen aus elementarem Aluminium besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aluminiumreiche Material im wesentlichen aus einer Legierung besteht, die wenigstens 75 Atom-Prozent Aluminium und Silicium und/oder Kupfer enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

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das aluminiumreiche Material im wesentlichen aus O bis 5 % Silicium, O bis 5 % Kupfer, Rest Aluminium, besteht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

die ausgewählten Bereiche den durch öffnungen einer aufliegenden Maskierschicht bloßgelegten Bereichen entsprechen, wobei die Maskierschicht im wesentlichen aus einer organischen Resistschicht besteht.
9. Gegenstand, wie dieser im Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 erhältlich ist.

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