DE2930293A1 - Aetzverfahren bei der herstellung eines gegenstandes - Google Patents

Aetzverfahren bei der herstellung eines gegenstandes

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DE2930293A1 DE19792930293 DE2930293A DE2930293A1 DE 2930293 A1 DE2930293 A1 DE 2930293A1 DE 19792930293 DE19792930293 DE 19792930293 DE 2930293 A DE2930293 A DE 2930293A DE 2930293 A1 DE2930293 A1 DE 2930293A1
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Description

BLUMBACH · WESER'· BERGEN .· KRAMER ZWIRNER · BREHM
PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN
Patentconsull Radedcestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Palentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Palentconsult
Western Electric Company, Incorporated MOGAB 5
Broadway, New York, N.Y. IOO38,
U. S. A.
Ätzverfahren bei der Herstellung eines Gegenstandes
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Ätzverfahren bei der Herstellung eines Gegenstandes, der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art; der herzustellende Gegenstand ist insbesondere ein Bauelement.
Bauelemente und Schaltungen mit hoher Packungsdichte sowie Musterfeinheit werden durch eine oder mehrere Maßnahmen erzeugt, zu denen eine lithographische Mustererzeugung und
i/ München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · H.P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. . P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.
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eine ausgewählte Behandlung der Bereiche des Bauelementematerials gehören. Die lithographische Mustererzeugung erfolgt üblicherweise in gegenüber aktinischer Strahlung empfindlichen Material, das nachfolgend entwickelt wird, um abgegrenzte öffnungen zu ergeben. Solche Muster dienen als direktes oder indirektes Maskenmaterial für die nachfolgenden Behandlungsschritte. Eine ausgewählte Ätzung kann durch ein trocken einwirkendes Verfahren erfolgen, beispielsweise durch eine Komponente, die in einem Plasma erzeugt wird; solche trocken arbeitenden Verfahren sind gegenüber naß arbeitenden Verfahren insbesondere dort bevorzugt, wo eine hohe Auflösung angestrebt wird.
Solche Maßnahmen werden beispielsweise bei der Herstellung von hoch integrierten Schaltungen (den sog. LSIC1S auf SiIiciumbasis angewandt; weitere Anwendungsgebiete betreffen die Fertigung einzelner Bauelemente und andere Bereiche der Halbleitertechnologie, wie etwa integrierte optische Schaltungen, Magnetspeicher und dgl..
Hoch integrierte Schaltungen, die sog. LSIC 's (abgeleitet von JLarge _Scale ^Integrated .Circuitry) sowie andere ebene Strukturen mit hoher Auflösung werden zumeist als Ergebnis einer Reihe von Verfahrensschritten erzeugt. Zu einer dieser Maßnahmen, die bei den meisten Schaltungen angewandt wird, gehört es, zuerst eine Maskenschicht zu erzeugen, indem ein ununterbrochener Abschnitt eines, gegenüber aktinischer Strahlung empfindlichen Materials selek-tiv bestrahlt wird
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und danach dieses Material entwickelt, wird, um ausgewählt entweder das bestrahlte oder das nicht-bestrahlte Material zu entfernen. Solche Maskierungsschichten dienen als diskrete Masken oder können im Verlauf von deren Herstellung eingesetzt werden.
Diese zur Herstellung van integrierten Schaltungen auf SiIiciumbasis heutzutage vorherrschend angewandte Maskenerzeugung befindet sich in einer beachtlichen Entwicklung, da nunmehr Entwurfsregelabstände in der Größenordnung von einigen wenigen Mikrometern üblicherweise erziel-bar sind. Die auf diese Weise erzeugten, diskreten Masken dienen zur sekundären Abgrenzung von Mustern in Einweg-Photoresistsohichten, die ihrerseits zur tatsächlichen Bauelementfertigung eingesetzt und entfernt werden, um die nachfolgenden Behandlungsmaßnahmen von ähnlicher Art bei jeder Fertigungsstufe zuzulassen.
Es wird in der Fachwelt allgemein angenommen, daß diese Maskentechnologie zu demjenigen Zeitpunkt, wo eine deutlich höhere Musterfeinheit (Merkmalsauflösungsvermögen) gefordert wird, durch ein maskenloe arbeitendes Verfahren (das sog. Direktverfahren) ersetzt wird. Im Hinblick auf diese erwarteten Verfahren wird eher eine primäre als eine sekundäre Mustererzeugung in Einweg-Eesistschichten vorgenommen werden, die dicht haftend an dem zu behandelnden Bauelement anliegen.
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Unabhängig von dem angewandten Verfahren, ob es nun mit Maske oder ohne Maske arbeitet und unabhängig von dem speziell angewandten Verfahren erfordern alle diese Herstellungsmaßnahmen die selektive Ätzung ununterbrochener Schichten des die Punktion des Bauelementes gewährleistenden Materials. Bis zum heutigen Tage ist die Naßätzung, beispielsweise mittels saurer, wässriger Lösungen, als zufriedenstellend angesehen worden. Sofern jedoch an die Musterfeinheit höhere Anforderungen gestellt werden, werden notwendige Beschränkungen dieses Verfahrens immer bedeutsamer. Die Einwirkung flüssiger Materialien auf polykristalline oder amorphe Schichten ergibt eine isotrope Ätzung. Das dabei auftretende Hinterschneiden, in einem angenähert der Schichtdicke entsprechendem Ausmaß, bedingt eine Begrenzung der Musterabstände.
Die Anstrengungen zur zunehmenden Miniaturisierung haben die Beachtung der Vorteile von trocken arbeitenden Verfahren gefördert. Die Ätzung mittels Impulsübertragung, die beispielsweise bei der Ionenabarbeitung (ion milling) auftritt, hält Verunreinigungen möglichst gering und erlaubt die Materialentfernung in bestimmter Richtung. Andererseits verursachen die hohe Beschleunigungsspannung mit dem daraus resultierenden Teilchenbombardement der Oberfläche manchmal neue Schwierigkeiten. Auf einigen Stufen der Fertigung kann eine merkliche Gitterbeechädigung auftreten. Das andere Ende möglicher trokken arbeitender Verfahren bilden die von einem Plasma ausgehenden Reaktionen. Zum Beispiel beruht bei der Plasmaätzung
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die Materialentfernung hauptsächlich auf einer chemischen Reaktion des zu entfernenden Materials mit vom Plasma erzeugten ätzend wirkenden Komponenten. Analog zu den mit Impulsübertragung arbeitenden Verfahren kann das Reaktionsprodukt unmittelbar entfernt werden, in diesem Falle durch Systembedingungen, die zu dampfförmigen Reaktionsprodukten führen. Die von einem Plasma hervorgerufene Ätzung ist jedoch im Extremfall wiederum im wesentlichen isotroper Natur. Die Festlegung von Richtungen, die beispielsweise bei der reaktiven Ionenätzung oder bei der Anwendung größerer Energie bei der Plasmaätzung erfolgt, fördert die anisotrope Ätzung, kann jedoch in anderer Hinsicht unerwünscht sein; beispielsweise können unter diesen Bedingungen Gitterfehler und eine Resistmaterialerosion verstärkt auftreten. Wie bei der Naßätzung können Fehler bei der genauen Endpunktbestimmung, sowie die Ätzung nicht übereinstimmender Halbleiterscheiben nicht nur zu einer außerordentlich starken Hinterschneidung, sondern auch zu einer Ätzung derdarunterliegenden Schichten führen. Die letztere Erscheinung wird gemildert durch eine entsprechende Auswahl von Bedingungen, die einer erhöhte Selektivität für das zu ätzende Material gewährleisten.
Bei der Herstellung von hochintegrierten Schaltungen werden verschiedene Materialien eingesetzt; hierzu können verschiedene lormen von elementarem Silicium gehören (polykristallines, einkristallines, dotiertes, undotiertes Si), sowie verschiedene Formen von siliciumhaltigen Verbindungen (wie etwa Oxide
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oder Nitride von Si). In verschiedenen, nicht auf die Bearbeitung von siliciumhaltigen Materialien gerichteten Verfahren, resultiert das vorherrschende Ätzmittel aus der Einführung eines Gemisches aus CF^ und O2- Die resultierenden Ätzgeschwindigkeiten sind zumeist für die meisten Materialien befriedigend. Die Hinterschneidung stellt den Hauptnachteil dar, wenn diese Verfahren an Oberflächen angewandt werden, die elementares Silicium enthalten. Tatsächlich führt die Anwendung dieser Verfahren auf die meisten Materialien zu einem im wesentlichen isotropen Ätzverhalten (bei welchem die Ätzgeschwindigkeit in seitlicher Richtung angenähert gleich der Ätzgeschwindigkeit in einer zur Oberflächenebene senkrechten Richtung ist). Gewöhnlich verhindert der erhebliche Unterschied der Ätzgeschwindigkeit von Silicium gegenüber dem Hintergrundmaterial aus Siliciumverbindungen (etwa 10:1 gegenüber Oxiden oder Nitriden) die Überätzung; damit lassen sich jedoch die Profilbegrenzungen hinsichtlich Gestalt, Größe und/oder Abstand nicht über-winden.
Gegenstand der Erfindung sind somit Verfahren zur Plasmaätzung, die insbesondere zur Ätzung verschiedener, siliciumhaltiger Oberflächen geeignet sind, die auf der Anwendung einer Klasse von Ätzmitteln beruhen, die bei der Einführung einer bestimmten Gruppe von Materialien in das Plasma gebildet werden. Solche Materialien stellen /usgangsmaterialien dar, die ergeben:
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(1) ein Ätzmittel auf der Basis von aktivem, atomarem Halogen; und
(2) aus Iluorkohlenstoffverbindungen gebildete Komponenten, die als ein Gemisch solcher Komponenten anzusehen sind.
Bestimmte Materialien dieser Klasse sind Verbindungen, die notwendigerweise ein nicht-veränderliches Verhältnis dieser beiden Ausgangsstoffe aufweisen, beispielsweise Ci^Cl. Die Ausgangsmaterialien können vollständig oder teilweise im Gemisch mit anderen Materialien eingesetzt werden, so daß eine Variationsmöglichkeit hinsichtlich der relativen Anteile besteht. Ein Beispiel hierfür ist das System CplV-CTo. Ferner können eine Anzahl verschiedener Bestandteile zugesetzt werden, beispielsweise um das Plasma zu stabilisieren oder von Materialien, die als Verdünnungs- oder Trägermaterial dienen.
Das erfindungsgemäße Ätzverfahren ist gekennzeichnet durch eine gute Unterscheidung (im Sinne der Ätzgeschwindigkeit, deren Verhältnis zumeist Werte von 10:1 oder mehr aufweist), von siliciumreichen Materialien gegenüber den meisten Ünterlagsmaterialien wie beispielsweise SiOp> S^x sowie gegenüber organischem Resistmaterial.
Ein breiter Bereich für Materialzusammensetzungen, sowie von Ätzbedingungen gewährleistet eine Verbesserung des Ätzprofiles
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im Vergleich mit Ätzprofilen bei der bekannten isotropen Ätzung. Eine Optimierung der /;usgangsmateri alien und Ätzbedingungen gewährleistet eine Gleichmäßigkeit, die zu einer idealen, anisotropen Ätzung führt, so daß eine Hinterschneidung nicht auftritt, was wiederum sehr geringe Abstände in der Größenordnung von 2 um und weniger erlaubt.
Nachfolgend soll die Erfindung im einzelnen beschrieben werden.
1. Allgemeines
Der Gegenstand dieser Erfindung wird hauptsächlich mit Bezugnahme auf die Fertigung von Bauelementen oder Schaltungen erläutert. Ohne darauf beschränkt zu sein, sind hauptsächlich solche Oberflächenmaterialien untersucht worden, die hauptsächlich bei der LSI-Fertigung Interesse finden; hierzu gehören dotiertes oder nicht-dotiertes elementares Silicium in polykristalliner oder einkristalliner Form. Verfahren, welche die Ätzung von echten Verbindungen,wie kovalent gebundenes SiOo oder Siliciumnitrid beinhalten, stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung nicht dar, hauptsächlich wegen der schlechteren Selektivität gegenüber den Unterlagsschichten mit elementarem Silicium. Andererseits gehören zu den geeignet ätzbaren Materialien' Silicide von beispielsweise Molybdän, Tantal und Wolfram, welche für diese Zwecke als Legierungen angesehen werden, V5
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deren Zusammensetzung elementares Silicium enthält. Erste Arbeiten belegen weiterhin, daß die vorliegende Erfindung auch auf andere elementare Materialien wie beispielsweise Germanium (mit all den für Silicium angegebenen Modifizierungen und Abweichungen) anwendbar ist.
Wesentliche Gesichtspunkte der Erfindung betreffen die Ä'tzgeschwindigkeit, die Unterscheidung bzw. Selektivität, die Ätzprofile, Auswirkungen des Beschickungseffektes sowie weitere ähnliche Bedingungen. Diese Gesichtspunkte sind wiederum abhängig von sowohl der Zusammensetzung des zugeführten Materials wie den Behandlungsbedingungen und sollen nachfolgend im einzelnen behandelt werden.
2. Definitionen
Siliciumhaltig bzw. siliciumenthaltend:
Dieser Ausdruck bezieht sich auf eine Gruppe von Oberflächen, die von unmittelbarer Bedeutung für die Durchführung der Erfindung sind. Hierzu gehören Oberflächen, die zumeist bei der LSI-I'ertigung eingesetzt werden und elementares Silicium enthalten. Diese Oberflächen können in einkristalliner oder polykristalliner Form vorliegen; ferner können diese Oberflächen bis zu jedem gewünschten Leitfähigkeitstyp dem Anwendungszweck des Bauelementes entsprechend dotiert sein. Das Silicium kann ferner als Teil einer intermetallischen Phase vorliegen, etwa in Form eines Silicides von Molybdän,
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Wolfram oder Titan (diese intermetallischen Phasen unterscheiden sich von den echten chemischen Verbindungen dadurch, daß die letzteren kovalente Bindungen, wie etwa in SiO2 aufweisen; diese letzteren sind für das erfindungsgemäße Verfahren nicht geeignet).
Aluminiumreich:
Mit diesem Ausdruck sollen solche Materialien bezeichnet werden, die zumindest 50% Aluminium enthalten. Darüberhinaus ist es jedoch erforderlich, daß Materialien dieser Gruppe die Ätzeigenschaften von elementarem Aluminium aufweisen. Dementsprechend sollen diese aluminiumreichen Materialien, unabhängig davon, ob sie nun unbeabsichtigte Verunreinigungen oder absichtlich vorgesehene Zusätze an Legierungs-bildenden Bestandteilen aufweisen, wie sie etwa für Passivierungsschichten gegenüber der Atmosphäreneinwirkung häufig vorgesehen sind, zumeist die Ätzeigenschaften aufweisen, die das elementare Aluminium zeigt. Ferner können bestimmte legierungsbildende Bestandteile wie etwa Silicium und Kupfer, die beide häufig bei der LSI-Fertigung eingesetzt werden, in kleinen Anteilen - in der Größenordnung von einigen wenigen Prozentvorhanden sein, /ndere Bestandteile, die selbst aluminiumähnlich sind, können in größeren Anteilen vorhanden sein und trotzdem Materialien ergeben, auf welche das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist.
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5. Zusammensetzung des Ausgangsmaterials für das Ätzmittel
Die Zusammensetzung wird mit Bezugnahme auf ein Gemisch aus CpF/r und CIo erläuert. Die Grundlagen sind Jedoch in gleicher Weise auf eine Anzahl von alternativen Materialien anwendbar, z.B. kann Chlorid oder elementares Chlor durch andere Halogene ersetzt sein; ferner können andere Halogenkohlenstoffverbindungen eingesetzt werden.
Bei den in das Plasma eingeführten Materialien handelt es sich um solche, die
a) eine aktive Ätzmittelkomponente, und
b) zusätzlich eine zweite, innerhalb der Plasmaumgebung mit der aktiven Ätzkomponente kombinierbare Komponente
ergeben, um damit die Ätzaktivität deutlich zu verringern oder vollständig zu beseitigen. Die zweite, auch als Rekombinationsmittel bezeichnete Komponente unterscheidet sich in bevorzugten Fällen in chemischer Hinsicht von der aktiven Ätzmittelkomponente. In solchen bevorzugten Ausführungsformen ist das Rekombinationsmittel eine aus einer Pluorkohlenstoffverbindung gebildete Komponente. Geeignete Ausgangsmaterialien können aus einer einzigen Verbindung bestehen, wie etwa Ci^Cl oder CP^Br; ferner kann das Ausgangsmaterial aus einem Gemisch bestehen, das zweiatomiges Halogen zusammen mit einer Pluorkohlenstoffverbindung enthält. Experimentelle Untersuchungen belegen ein gleichartiges Plasma, unabhängig davon, ob als Ausgangsmaterial die ein-6/ 030009/0675
zige Verbindung CFxCl oder ein Gemisch mit 50 Vol.-% CpFg und 50 Vol.-% CI2 zugeführt wird. Dementsprechend werden im Plasma äquivalente Komponenten gebildet, unabhängig davon, ob ein aus drei, zwei oder lediglich einer Komponente bestehendes Ausgangsmaterial zugeführt wird, d.h. etwa die Systeme C2F6-CI5Cl-Cl2 oder C3F6-Cl2 oder CF5Cl-Cl2 oder
CFxCl-C0F,- oder CFxCl.
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Das Ausgangsmaterial ist der wesentliche Faktor zur Festlegung des Ätzprofiles. Ätzmittel der beschriebenen Art sind relativ unempfindlich gegenüber Änderung der zur Erzeugung des Plasmas verwendeten Energie und dem entsprechenden Druck, so daß der letztere im Hinblick auf die Variationsbreite des Verfahrens gewählt werden kann. Die Einstellung von Energie und Druck kann in der Form vorgenommen werden, daß die angestrebte Ätzgeschwindigkeit gewährleistet wird, um ein einheitlich begrenztes Plasma zu erhalten, ferner um Strahlungsschäden zu vermeiden (die auf von der bestrahlten Oberfläche ausgehender Röntgen-Sekundärstrahlung zurückzuführen sind).
Ideal, anisotrop geätzte, vertikale Wände ergeben sich dann, wenn ein Ausgangsmaterial verwendet wird, dessen Cl-Äquivalent gegenüber der Summe von Gesamt-Cl-Anteil + CFx-Äquivalent um etwa 10 Vol.-% herum beträgt. Höhere Chloranteile bewirken eine Zunahme der Ätzgeschwindigkeit und ferner auch eine Zunahme der Selektivität für die zu ätzenden
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Oberflächen relativ zu vielen Unterlagsmaterialien wie ' beispielsweise Siliciumoxid oder Siliciumnitrid. Ein minimaler Anteil an Fluor-haltiger Verbindung ist zur Ätzung von irgendwelchen Oberflächenoxiden zweckmäßig. Zu diesem Zweck soll der Vol.-%-Anteil an Cl-Äquivalent höchstens ungefähr 99% betragen. Eine Verringerung dieses Cl-Äquivalent es führt zu einer Abnahme der Ätzgeschwindigkeit. Für viele Anwendungsfälle ergibt sich ein minimaler Anteil des Cl-Äquivalentes von ungefähr 5 Vol.-% bereits hauptsächlich aus der Ätzgeschwindigkeit.
Bromid und/oder Brom können Chlorid/Chlor ersetzen. Für die relativen /nteile der äquivalenten .Ausgangsmaterialkomponenten gelten obige Angaben. Ferner können Homologe von CpFg, etwa C,Fg eingesetzt werden. Andererseits kann ein erheblicher Anteil an diesen Homologen.insbesondere ein größerer Anteil an noch höheren Homologen zu einer Abscheidung von polymerem Material führen, was die Ätzung behindert oder aufhält.
Eine Anzahl an verschiedenen zusätzlichen Bestandteilen kann zweckmäßigerweise zugesetzt werden. Solche Bestandteile können als Verdünnungsmittel, Trägermaterial und dgl. dienen. Hierzu zählt zweckmäßigerweise Helium, das insbesondere zugesetzt wird, wenn Brom oder ein Bromid einen erheblichen Bestandteil des Ausgangsmaterial darstellt. Es ist festgestellt worden, daß das gebildete
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Plasma "polarisierbar" ist und zur Ungleichmäßigkeit neigt. Sofern Helium in einem Anteil bis zu ungefähr J>0% zugesetzt wird, bewirkt das eine erneute Verteilung der Elektronen, was wiederum zu einem gleichmäßigeren Plasma führt. Höhere Heliumanteile sind ebenfalls möglich, verringern jedoch die Ätzgeschwindigkeit.
Ein mögliches Ausgangsmaterial, auch wenn es nicht zu den bevorzugten Ausgangsmaterialien gehört, das dennoch einige der Vorteile des erfindungsgemäßen Ätzsystems aufweist, besteht einfach aus einem zweiatomigen Halogen (CI2 oder Brg) mit oder ohne zusätzlichem Verbindungsmittel. Solche Gemische, bei denen Argon als Verdünnungsmittel dient, haben sich in einigen Gesichtspunkten als Äquivalent zu Gemischen erwiesen, die CE',-liefernde Komponenten in äquivalentem Anteil enthalten. Andererseits stellt das Vorhandensein von Oberflächenoxid eine Komplikation für die Anwendung diear aus einer einzigen Komponente bestehenden Ätzmittel dar. Solche Oberflächenoxide werden von atomarem Halogen nicht angegriffen, sie können jedoch durch anfängliche oderkontinuierliche Zuführung von fluorhaltigen Komponenten (wie beispielsweise C^iV) entfernt werden.
A-. Ätzmittelzusammensetzung
Aus dem Ergebnis zahlreicher Experimente und Untersuchungen wird geschlossen, daß die primäre Ätzmittelkomponente atomares Halogen ist, beispielsweise atomares Chlor. Obwohl
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CF, oder die im Plasma daraus gebildeten Komponenten selbst als zweites Ätzmittel dienen, wirkt es hauptsächlich als Rekombinationsmittel (sowie zur anfänglichen Ätzung irgendwelcher Oberflächenoxide). Spektroskopische Untersuchungen belegen das Endprodukt CE^Cl aus dem Ausgangssystem CgFg-Cl«..
Eine angestrebte Eigenheit von Jedem dieser beschriebenen Ätzmittel ist die hohe Selektivität, sowohl gegenüber irgendwelchen Unterlagsmaterialien wie gegenüber Resistmaterialien. Eine weitere Eigenheit, die ausführlich in der parallelen US-Patentanmeldung 929 568 vom 51. Juli 1978 beschrieben ist, ist die relative Unabhängig der Ätzgeschwindigkeit von der Größe der gerade geätzten Oberfläche. Die Beseitigung dieses "Beschickungseffektes" trifft ebenfalls für die anderen erfindungsgemäßen Materialien zu.
Die Kontrolle des Ätzprofiles, insbesondere die Erzielung ideal anisotrop geätzter, vertikaler Wände ist möglich durch die Anwendung bevorzugter Materialien. Die wesentlichen Anforderungen für die anisotrope A'tzung sind detaillierter in der parallelen US-Patentanmeldung 929 54-9 vom 31.JuIi 1978 angegeben. Kurz gesagt, hängt die Profilkontrolle von der Oberflächenchemie ab, welche Anforderungen durch die Anwesenheit von polymeren Materialien auf Kohlenwasserstoffbasis (hierzu erweist sich jegliches organisches Resistmaterial als geeignet) erfüllt ist, zusammen mit der zugeführten Leistung und dem eingestellten Druck, um den angestrebten /usgleich zwischen Oberflächenrekombination und
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Ätzung zu bewerkstelligen. Zur Gewährleistung der Profilkontrolle wird ein Gemisch angewandt, das zweckmäßigerweise aus zwei chemisch unterschiedlichen Komponentenbesteht, von denen die eine hauptsächlich als Ätzmittel wirkt und die zweite hauptsächlich als Rekombinationsmittel wirkt. Es ist festgestellt worden, daß die oben angegebenen Fluorkohlenstoffνerbindungen mit der Ätzmittelkomponente in der unmittelbaren Nachbarschaft von Resistmaterialkante/Ätzwänden rekombinieren, um dort die Ätzwirkung herabzusetzen (und damit auch das Hinterschneiden zu verrringern).
Bevorzugte, eine Profilkontrolle gewährleistende Komponenten enthalten zumeist einen größeren proportionalen Anteil an Iluorkohlenstoffverbindung, als in CF,C1 enthalten ist.
5. Zu ätzendes Material
Eine Reihe von Materialien kann geeignet behandelt werden, unter denen die am meisten interessierenden Silicium enthalten. Die Silicium-haltigen Materialien sind oben unter dem Stichwort "Definitionen" angegeben; hierau gehören zahlreiche Materialien, die bei der LSI-Fertigung und anderen Arten integrierter Schaltungen eingesetzt werden. Daneben können verschiedene andere Materialien in elementarer Form, sowie deren Abwandlungen,wie sie oben analog für Silicium beschrieben worden sind, nach diesem Verfahren behandelt werden.
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6. Verfahrensbedingungen
Wie angegben, sind die Verfahrensbedingungen in erheblichem Ausmaß auf die Bedürfnisse der Praxis zugeschnitten, etwa im Hinblick auf Ätzgeschwindigkeit, Gleichförmigkeit des Plasmas und dgl. Für die zumeist vorgesehenen Schichtdicken werden zweckmäßige Atzgeschwindigkeiten bei einer Energiezufuhr im Bereich von 0,5 bis 1 W/cm* und bei Druckwerten im Bereich von 0,1 bis 1,0 Torr (13?3 "bis 133 Pa) erzielt.
Interessant ist die Feststellung, daß solche /usgangsmaterialien, die bei bestimmten Energie/Druck-Bedingungen ideal anisotrop geätzte Wände ergeben bei abnehmenden Energie/ Druck-Werten zunehmend eine isotrope Ätzung ergeben. Obwohl diese Beobachtung keinen besonders signifikanten Effekt in diesem System darstellt, steht sie in einem deutlichen Gegensatz zu der bisherigen Auffassung der Fachwelt, wonach die anisotrope Ätzung durch eine Richtungswahl begünstigt wird, die ihrerseits durch größere Feldstärken und dadurch bedingte höhere Geschwindigkeiten erzielt wird.
Zu Erläuterungszwecken erscheint es zweckmäßig, die Plasmaätzbedingungen kurz zu beschreiben, wie sie in z.Zt. verwendeten Reaktoren üblicherweise vorgesehen werden. Aus einer Anzahl von Gründen haben sich in der Industrie Reaktoren mit paralleler Anordnung der Platten durchgesetzt. Fort-9/
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schrittliche Vorschläge gewährleisten ein Strömungsmuster, das wiederum zu einer vernünftigen Gleichmäßigkeit der Ätzung von Halbleiterscheibe zu Halbleiterscheibe führt, vgl. beispielsweise den Beitrag "Etching for Pattern Definition" von A.R. Reinberg in The Electrochemical Society, Inc., Princeton, N.J. 1976 oder von R.G. Poulsen in J.Vac. Sei. Technol., 14, 266 (1977).
Systeme mit parallelen Platten weisen Plattenpaare in einer geeigneten Vakuumkammer auf. Energie, üblicherweise Hochfrequenzenergie, beispielsweise 13,56 mHz, wird der angesteuerten Platte zur Einleitung und Aufrechterhaltung einer Entladung zwischen den Platten zugeführt, wobei die nicht angesteuerte Platte zumeist auf Erdpotential gelegt wird. Es hat sich gezeigt, daß "Plasmaätzen" wie es hier verstanden wird, eine Reihe verschiedener Verfahren einschließen kann, die häufig anders bezeichnet werden. -Im Rahmen dieser Betrachtungen ist lediglich erforderlich, daß die hauptsächliche Entfernung des zu ätzenden Oberflächenmaterials durch eine chemische Reaktion mit den vom Plasma gebildeten aktiven Ätzmittelkomponenten erfolgt und nicht durch Impulsaustausch. Bezeichnungsänderungen können beispielsweise · hinsichtlich der relativen Größe der Elektroden, der Anordnung der Halbleiterplättchen (entweder an der ange-, steuerten oder an der nicht-angesteuerten Elektrode oder Elektroden) vorkommen. Bei dem zumeist als reaktives Ionenätzen bezeichneten Verfahren ist die angesteuerte Elektrode wesentlich kleiner als die Gegenelektrode, und das zu ätzende
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Material wird an der angesteuerten Elektrode angebracht. Im ialle des üblicherweise als Plasmaätzung bezeichneten Verfahrens sind die Elektroden stärker symmetrisch, und das zu ätzende Material ist an der nicht-angesteuerten Elektrode angebracht. Solche Apparaturänderungen sowie entsprechende Änderungen der Verfahrensparameter wie Energiezufuhr, Druck und dgl. sind auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, solange die grundsätzliche An- , förderung (hauptsächliche Entfernung des zu ätzenden Materials durch chemische Reaktion) erfüllt ist.
In solchen Reaktoren können die nachstehend angegebenen Parameter verändert werden: Die Ätzgas-Zusammensetzung, der Druck, der Durchsatz im Einlaßsystem, die Energiezufuhr, der Abstand zwischen den Elektroden und die Substrattemperatur. Typische Bereiche für diese Parameter sind:
Druck: 10"^ bis 2,0 Torr (0,1 bis 266 Pa);
Durchsatz: 10 bis 500 SCCM (Standard cmVmin); Leistung: 100 bis JOOO W;
Elektrodenabstand: 5 bis 50 mm; Elektrodendurchmesser: 17 Zoll (43,3 cm);
Substrattemperatur: 25 bis 2500C.
Nachfolgend werden angestrebte Plasmaätzbedingungen für die bevorzugte Anwendung angegeben. Die Erörterung erfolgt 10/
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generell anhand der derzeit verfügbaren Apparaturen. Es ist jedoch recht wahrscheinlich, daß verbesserte Apparaturen ihre erwarteten Wirkungen haben werden. Demgemäß ist die nachstehende Erörterung, obwohl sie sich auf die derzeitige Praxis bezieht, nicht darauf beschränkt und soll insbesondere auch zukünftige Weiterentwicklungen umfassen.
Bei den Eeaktorausgestaltungen ist es wesentlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren die angestrebten Profile bei Druckwerten des Plasmas in der Größenordnung von 0,1 Torr (13>3 Pa] ergeben kann. Dies ist im Widerspruch zu vielen bekannten Verfahren, bei denen eine ideal anisotrope Ätzung lediglich bei geringerem Druck stattfand. Dieser Druckwert ist die ungefähre Grenze zwischen viskoser Strömung (bei höheren Druckwerten und nicht-viskoser, atomarer, ionischer oder molekularer Strömung (bei niederen Druckwerten). Viskose Strömung bezeichnet diejenige Bedingung, bei welcher Stöße innerhalb des Plasmas wahrscheinlicher sind, als Stöße zwischen dem Plasma und einer festen Oberfläche. Viskose Strömung bezeichnet deshalb für typische Plasmaleistungsdichte die Schwellenwertbedingung unterhalb der im nennenswerten Umfang Strahlungsschäden auftreten können.
Plasmaleistungen von mehreren Watt pro cm^ stehen zur Verfügung. Leistungen deutlich oberhalb 1 W/cm* verursachen Ungleichmäßigkeitsprobleme und die Plasmabeständigkeit läßt sich bei Drücken in der Größenordnung von 1,0 Torr (133 Pa) und darüber nur schwierig aufrechterhalten.
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Ein dritter Parameter, der mit den ersten beiden Parametern (Druck und Leistung) verknüpft ist, ist die Ätzgeschwindigkeit. Vom kommerziellen Standpunkt aus betrachtet ist dies ein wichtiger Faktor, der manchmal den Durchsatz bestimmt. Dieser Parameter ist auch dahingehend bedeutsam, daß eine langsamere Ätzung notwendigerweise längere Zeitspannen der Einwirkung auf das Eesistmaterial erfordert. Je nach Dicke der zu ätzenden Schicht kann die Eesistmaterialerosion, die zumeist einen merklichen Wert hat, zum begrenzenden laktor werden. Bei vielen lithographisch arbeitenden Verfahren übersteigen die in der Praxis angewandten Schichtdicken der Eesistschicht die mittleren Abmessungen der festzulegenden Muster nicht wesentlich. Davon ausgehend ist es vernünftig, einen Mindestwert für die Ätzgeschwindigkeit von 30 nm/min vorzugsweise von 50 nm/min festzulegen. Das Unterscheidungsvermögen (bzw. die Selektivität) des Ätzmittels zwischen üblichen zu ätzenden Materialien und den beständigeren polymeren Resistmaterialien ist zumeist ausreichend, um bei diesen Ätzgeschwindigkeiten einen wirksamen Anteil des ursprünglich vorhandenen Eesistmaterials beizubehalten. Für relativ dicke, zu ätzende Schichten, bei Schichtdicken vie in der Größenordnung von Mikrometern,geben obige Betrachtungen Anlaß, die Ätzgeschwindigkeit vorzugsweise auf Werte deutlich oberhalb 50 nm/min zu steigern.
Die nachfolgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung
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der Erfindung, ohne diese einzuschränken.
Die Durchführung der Beispiele erfolgte in einem radialen Strömungsreaktor, von der im vorausgegangenen Abschnitt "Verfahrensbedingungen" angegebenen Art.
Beispiel 1:
Die Plasmaerzeugung erfolgte bei einer Leistung von 400 W, einem Druck von 0,35 Torr (46,5 Pa), einem Elektrodenabstand von 30 mm, einer Temperatur der unteren, nicht-angesteuerten Elektrode von 25° C, einem Reaktionsmitteldurchsatz von 175 SCCM, mit einem Reaktionsmittel aus einem Gemisch von 15 Vol.-% Cl2 und 85 Vol.-% C-Fg. An mit Phosphor dotiertem polykristallinem Silicium wurde eine Ätzgeschwindigkeit von 95,0 nm/min realisiert.
Beispiel 2:
Im wesentlichen erfolgte die Ätzung analog zu Beispiel 1; abweichend wurde als Reaktionsmittel ein Gemisch aus 90 Vol.-% Gl2 und 10 Vol.-% C2^6 zugeführt; hierbei wurde eine Ätzgeschwindigkeit von 34-4,0 nm/min erhalten.
Beispiele 3 bis 8:
Auch diese Beispiele wurden analog zu Beispiel 1 durchgeführt; abweichend bestand das Reaktionsmittelgemisch aus den beiden Komponenten Cl2 und C2F^ in den nach-1?/
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folgend in tabellarischer Form angegebenen Anteilen; die erzielte Ätzgeschwindigkeit (nm/min) ist ebenfalls angegeben.
Beispiel Vol.-% CI2 Ätzgeschwindigkeit(nm/min)
3 25,9 170,0
4 19,4 124,0
5 13,8 80,0
S 12,0 7.6,0
7 10,0 60,0
8 7,5 53,0
Beispiel 9:
Im wesentlichen analog zu Beispiel 1 wurde undotiertes, einkristallines Silicium geätzt; als Beaktionsmittel diente ein Gemisch aus CI1^Br und 30 Vol.-% He$ die Leistung betrug 5OO V. Es wurde eine Ätzgeschwindigkeit von 60,6 nm/min erreicht.
Beispiel 10:
Im wesentlichen analog zu Beispiel 1 wurde einkristallines Silicium geätzt; als Eeaktionsmittel diente CI,Cl; die Leistung betrug 200 W und der Durchsatz 200 SCCM. Es wurde eine Ätzgeschwindigkeit von 19,3 nm/min erreicht.
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ORIGINAL INSPECTED

Claims (16)

BLUMBACH · WESEft -.EJEiRGeN[./KRAMER ZWIRNER · BREHM PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2930293 Patentconsult RadeckestraSe 43 8000 Miincnen 60 Telefon (089)883603/883404 Telex OS-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult Western Electric Company, Incorporated MOGAB 5 .222 Broadway, New York, N.Y. 10038, U. S. A. Ätzverfahren bei der Herstellung eines Gegenstandes Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, in dessen Verlauf der herzustellende Gegenstand eine Oberfläche aus einem Material aufweist,von dem zumindest Abschnitte geätzt werden sollen,
zu dieser Ätzung der Gegenstand innerhalb einer Apparatur in einer Plasmaumgebung gehalten wird, deren Plasma von einem zwischen zwei Elektroden angelegten, ein gasförmiges Reak-
Ί / München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer nat . H. P. ßrehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nal. Wiesbaden: P. G. Biumbadi Dipl.-Ing. . P. Bergen Dnl.-Ing Or. jur. . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing
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tionsmittel durchsetzenden elektrischen leid herrührt, das zu ätzende Material Silicium enthält, und die Ätzung hauptsächlich auf einer chemischen Reaktion mit dem zu ätzenden Material beruht, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Verbesserung der Kontrolle der Ätzung der siliciumhaltigen Oberflächen, die wegen Unterschiede der Silicium form (elementares, dotiertes oder undotiertes Si, Si als Bestandteil intermetallischer Phasen oder Si-Verbindungen wie SiOp, SiN oder dgl.) wünschenswert sein kann, sowie zur Kontrolle der Itzrichtung relativ zu einem vertikalen Profil der Wände des zu ätzenden Bereichs oder Abschnittes
das gasförmige Reaktionsmittel dahingehend ausgewählt wird, daß es zumindest das Äquivalent eines Gemisches aus einem Halogenid in Form einer Fluorkohlenstoffverbindung und einem Halogen enthält, das in dem Plasma die chemische Reaktion bewirkt, und
das fieaktionsmittel einen größeren Wert für das entsprechende Fluorkohlenstoffverbindung/atomares Halogen-Verhältnis aufweist, als in CF^Cl vorliegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Halogen Cl^ und Br^ dienen.
3>. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
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als Fluorkohlenstoffverbindung Chlorfluor- und Bromfluorkohlenstoffverbindungen dienen.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
das gasförmige Reaktionsmittel die Fluorkohlenstoffverbindung enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,daß
das gasförmige Reaktionsmittel CF5Cl oder CF,Br enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 5»
dadurch gekennzeichnet, daß
ein CF-Br enthaltendes, gasförmiges Reaktionsmittel zusätzlich Helium enthält.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß
das gasförmige Reaktionsmittel zwei chemisch unterschiedliche Komponenten enthält, von denen zumindest die erste ein Halogenid ist und zumindest die zweite ein Halogen ist.
8. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß
die Fluorkohlenstoffverbindung im wesentlichen aus C^Fg besteht.
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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Halogen im wesentlichen aus CL·, besteht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß das zu ätzende Material hauptsächlich aus elementarem Silicium besteht.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zu ätzende Material zumindest ein Silicid enthält.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zu ätzende Material in Form von polykristallinem Silicium vorliegt.
15· Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das polykristalline Silicium mit einem, Störstellen erzeugenden Dotierstoff dotiert ist.
14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das elementare Silicium in einkristalliner Form vorliegt.
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15· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzung auf ausgewählte Bereiche der Oberfläche begrenzt wird.
16. Verfahren nach /nspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählten, zu ätzenden Bereiche Bereichen entsprechen, welche durch öffnungen einer darüberliegenden Maskierungsschicht freiliegen, welche ihrerseits hauptsächlich aus einem organischen Resistmaterial besteht.
1?. Erzeugnis,
dadurch gekennzeichnet, daß es nach einem Verfahren entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 16 erzeugt worden ist.
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