DE2930360A1 - Verfahren zum plasmaaetzen von aluminium - Google Patents
Verfahren zum plasmaaetzen von aluminiumInfo
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Description
DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT
Orthstroße 12 · D-8000 München 60 · Telefon 832024/5
Telex 5212744 · Telegramme Interpatent
-3-
E8 P2 D
Eaton Corporation Cleveland, Ohio, USA
Verfahren zum Plasmaätzen von Aluminium
Priorität: 27. Juli 197 8 - USA - Ser. No. 928 597 Zusammenfassung
Es wird ein Verfahren zum Ätzen von Aluminium in einer Planar-Plasmaätzvorrichtung
beschrieben, bei dem ein erstes Plasma aus Kohlenstofftetrachlorid entwickelt wird, dem ein zweites Plasma aus
Kohlenstofftetrachlorid und Chlor folgt. Dadurch, daß die speziell
erwähnten Plasmas an speziellen Partialdrucken in zwei Schritten
erzeugt werden, wird die Selektivität der Ätzoperation erheblich verbessert, während Nachteile, die beim Ätzen von Aluminium nach dem
Stand der Technik auftreten, erheblich herabgesetzt werden.
Der Gas-Plasma-Dampf-Ätzprozess ist in jüngster Zeit dazu verwendet worden,
Operationen auf Halbleiterblöcken dadurch durchzuführen, daß diese einem Plasma ausgesetzt werden, um Teile des von der Halbleiterstruktur
getragenen Materials zu entfernen. Die Ausdehnung des reaktiven Plasmaätzens über die Musterbildung von Silicium, Siliciumnitrid und
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Siliciumoxyden auf die Aluminiumätzung bietet mehrere potentielle
Vorteile bei der Herstellung von integrierten Schaltungen kleiner Geometrie. Plasma, verglichen mit dem chemischen Ätzen von Metall,
liefert eine bessere Kantendefinition, weniger Hinterschneidungen,
erheblich weniger Empfindlichkeit für Photolack-Adhäsion und die Beseitigung des sog. "knee-breakdown" aufgrund der Verdünnung des
Photolacks an scharfen Kanten. Diese Verdünnung, wo Aluminium über
die Seitenwand eines Schnittes hinüber und diese herab geht, führt zu einem vorzeitigen Ausfall des Lackes während des nassen Ätzens,
so daß die Entfernung des Metalls an der nahen Kante möglich wird.
Wenn auch Plasmas derzeit nicht vollständig verstanden werden, so ist es doch bekannt, daß eine spezielle Form von chemischen Materialien
dadurch gemacht werden kann, daß die Verbindungen energiereichen Hochfrequenzen ausgesetzt werden. Unter dem Einfluß dieser Hochfrequenzen
brechen Verbindungen auf und formen sich neu zu vorübergehenden Arten, deren Lebensdauern so kurz sind, daß sie schwierig
zu identifizieren sind. Dementsprechend können unerwartete Reaktionen
in einem Plasma herbeigeführt werden, die unter Verwendung konventionellerer
Techniken schwierig oder gar nicht herbeigeführt werden können.
Es ist anerkannt, daß das Plasmaätzen von Aluminium gewisse inhärente
Probleme bietet, die nicht leicht zu überwinden sind. Das wurde beispielsweise anerkannt von Poulsen u. a. in "Plasma Etching of Aluminum",
wo angegeben wird, daß Aluminium in üblichen Ätzgasen auf Chlorbasis (beispielsweise Cl2 oder HCl) nicht plasmageätzt werden kann, und zwar
wegen der Schutzmaskierung des Aluminiums durch die dünne Aluminiumoxydschicht (AIpOo)>
die sich auf Aluminiumoberflächen bildet, wenn diese Luft ausgesetzt werden. Poulsen führt seine Ätzung in der Weise
durch, daß er Plasmas aus Bortrichlorid (BCl3) und Kohlenstofftetrachlorid
(CCl4) verwendet. Auf diese Weise wurde festgestellt, daß das
Aluminiumoxyd entfernt werden kann, um ein Ätzen des freigelegten Aluminiums zu erlauben, über eine Reaktion mit Chlor-Radi kai-Plasma.
Poulsen verwendete einen einzigen Ätzprozess, um sowohl das schützen-
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ORIGINAL INSPECTED COPY
de Aluminiumoxyd als auch das darunterliegende Aluminium mit
einem Ätzgas abzutragen.
In einem zweiten Artikel"Plasma Etching of Aluminum" von Herndon
u. a. am M.I.T. Lincoln Laboratory wurde gelehrt, daß ein zweistufiger
Prozess verwendet werden könnte, indem man mit Bortrichlorid oder Kohlenstofftetrachlorid beginnt und eine zweite chemische Ätzung
mit Chlor folgen läßt. Der erste Plasmaätzprozess entfernt die Aluminiumoxydschicht, während die zweite chemische Ätzung in der
Weise wirkte, daß die darunterliegende Aluminiumschicht mit dem
Muster versehen wurde.
Bei der Durchführung der Verfahren nach Poulsen u. a., Herndon u. a.
und weiteren, die versucht haben, einen Plasmaätzprozess mit Aluminium durchzuführen, wurden gewisse ernsthafte Schwierigkeiten angetroffen.
Beispielsweise ist Bortrichlorid, sowohl allein als auch in einem
Trägergas von Argon, Stickstoff oder Helium, extrem korrodierend. Die Plasmaätzkammer und die Elektroden verschlechtern sich extrem schnell,
wenn Bortrichlorid dazu verwendet wird, die Aluminiumoxydschicht von
der zu ätzenden Aluminiumschicht zu entfernen. Kohlenstofftetrachlorid
ist nicht so korrodierend wie Bortrichlorid, hat aber eine außerordentlich schlechte Selektivität über Si 1ieiumdioxyd (SiO2) und Photolack.
Aluminium wird auf ein Siliciumdioxydsubstrat gebracht, um ein Halbleitergerät
zu produzieren. Das Aluminium wird dann durch die bildweise Aufbringung einer Photolackschicht geschützt. Ein idealer Plasmaätzprozess
würde nur das Aluminium abtragen und nicht den Photolack, während das SiIieiumdioxyd unberührt bliebe. Wie erwähnt erfüllt Kohlenstofftetrachlorid
als einziges Ätzgas diese Forderungen nur sehr schlecht.
Die Verwendung von Chlor zum Ätzen von Aluminium ist bekannt und wird
in beiden erwähnten Aufsätzen gezeigt. Praktiker haben Chlor mit Bortrichlorid verwendet, aber seine Verwendung mit Kohlenstofftetrachlorid
ist nicht allgemein, weil festgestellt wurde, daß Chlor das Ätzen von Aluminiumoxyd in einem Kohlenstofftetrachloridsystem verhindert. Herndon
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COPY
u. a. impliziert, daß Experimente unter Verwendung von Chlor als
zweites Ätzgas durchgeführt worden sind, es wurde jedoch festgestellt,
daß die unbegrenzte Verwendung von Chlor als zweite Stufe im Atzprozess isantropes Ätzen bewirkt. Das bedeutet, daß Chlor
keine akzeptable Kantendefinition liefert, da Chlor den Photolack hinterschneidet und in der Weise wirkt, daß Aluminium unterhalb
des Photolacks in "geschützten" Bereichen ätzt. Weiterhin bewirkt die Verwendung der Kombination von Kohlenstofftetrachlorid und
Chlor als Ätzgase beim Plasmaätzen von Aluminium die Bildung eines Polymerfilms, der von der Substratoberfläche nicht entfernt werden
kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, Aluminiumoberflächen bei der Herstellung
von Halbleitereinrichtungen ohne die erwähnten Nachteile mit Plasma zu ätzen.
Weiter soll durch die Erfindung das Plasmaätzen von Aluminium durchgeführt
werden, ohne daß BortriChlorid oder andere hochkorrosive
Plasmaarten verwendet werden.
Ferner soll durch die Erfindung das Plasmaätzen von Aluminium durchgeführt
werden, während das isantrope Ätzen minimiert wird.
Ferner soll durch die Erfindung ein Kohlenstofftetrachlorid-ZChlor-Ätzgassystem
verwendet werden ohne die Bildung von Polymerfilmen,
die von der Substratoberfläche nicht entfernt werden können.
Ferner soll durch die Erfindung das Plasmaätzen von Aluminium durchgeführt
werden, während gleichzeitig die charakteristischen Ätzcharakteristiken von Kohlenstofftetrachlorid, nämlich scharfe vertikale
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Kanten, beibehalten werden, während ein Kohlenstofftetrachlorid-ZChlorplasma-Ätzsystem
verwendet wird.
Ferner soll durch die Erfindung das Plasmaätzen von Aluminium durchgeführt
werden, während die Beeinträchtigung des Photolacks um den erheblichen Wert von 60 % verringert wird.
Ferner soll durch die Erfindung das Plasmaätzen von Aluminium unter
verringerten Energieanforderungen durchgeführt werden, während eine verbesserte Ätzoperation erhalten wird.
Das Plasmaätzen wird in einer Vorrichtung ähnlich der in der gleichzeitig
eingereichten Anmeldung "Plasmaätzvorrichtung" (Anwaltsakte E8 Pl D) durchgeführt. Eine ähnliche Vorrichtung ist auch in der
US-PS 3 757 733 dargestellt, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Allgemein weist die Vorrichtung einen Halter für Aluminiumblöcke
auf, die geätzt werden sollen. Der Halter sitzt auf der Oberfläche der unteren Elektrode einer planaren Kondensatorstruktur,
die Teil der Vakuumkammer ist. Das fitzgas leckt mit einer Durchflußrate
in die Vakuumkammer, die mit einem Ventil kontrolliert wird, und der Druck wird durch Drosseln einer mechanischen Vakuumpumpe
eingestellt. Der Druck und die Durchflußrate werden genau mit einem Kapazitätsmanometer und einem Massenflußmesser überwacht. Die obere
und die untere Elektrode sind sorgfältig relativ zueinander ausgefluchtet,um
einen radial symmetrischen Gasstrom und radial symmetrische elektrische Felder im Plasmabereich für die beste Gleichförmigkeit
der Ätzrate zu erreichen. Die HF-Leistung wird in die Elektroden eingekoppelt. Der Strom wird zur genauen Leistungseinstellung überwacht.
Der Elektrodenabstand ist einstellbar und die Temperatur der unteren Elektrode wird einstellbar kontrolliert.
Bei typischen Ätzanwendungen wird das System geöffnet, die Blöcke werden auf Platinen rund um die untere Elektrode geladen, das
System wird evakuiert, das Ätzgas wird eingelassen und das Ätzen
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fr.
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beginnt, wenn das Plasma zwischen den Elektroden von 28 Zoll (711,2 mm)
Durchmesser gezündet wird.
Die Ziele der Erfindung werden dadurch verwirklicht, daß zunächst ein
Plasma aus im wesentlichen reinem Kohlenstofftetrachlorid unter einem Partialdruck von etwa 300 Micron verwendet wird, um die Aluminiumoxydschicht
von der reinen Aluminiumschicht zu entfernen. Die verwendete Leistung beträgt etwa 3,5 A und die Blockplattformtemperatur
wird auf 70° C eingestellt. Die Schutzschicht aus Aluminiumoxyd wurde in etwa 3 Minuten abgetragen.
Bei der zweiten Stufe wird eine Kombination von Kohlenstofftetrachlorid
und Chlor verwendet, wobei der Partialdruck des Chlors etwa 50 bis 100 Micron beträgt, während der Partialdruck des Kohlenstofftetrachlorids
etwa 80 bis 150 Micron beträgt. Der Gesamtdruck des Systems wurde auf etwa 250 Micron gehalten.
Es wurde festgestellt, daß unter Verwendung der Ätzgase mit den angegebenen Partialdrucken eine Ätzrate von 1.000 AE/min erreicht
werden konnte, wenn nur zwei Ampere Strom verwendet wurden, während bei bekannten Techniken unter Verwendung von reinem Kohlenstofftetrachl
ori d als Plasmaätzgas zur Aufrechterhaltung einer Ätzrate von 1.000 AE/min 3 A benötigt wurden.
Wenn auch die speziellen Ätzraten, die Leistungsanforderungen und weitere Parameter des Systems sich nach der speziellen Konstruktion
der verwendeten Plasmaätzvorrichtung richten, so gibt es doch gewisse spezifische Charakteristiken, die eingehalten werden müssen und die
das Herz der Erfindung bilden. Speziell wurde festgestellt, daß,
wenn der Partialdruck des Chlors 100 Micron überstieg, sich auf der Aluminiumschicht schwer zu entfernende Polymere aufbauten. Es wurde
auch festgestellt, daß, wenn der Gesamtdruck während der zweiten Ätzstufe unter Verwendung von Chlor und Kohlenstofftetrachlorid
etwa 250 Micron überstieg, sich ebenfalls ein Polymerfilm entwickelte.
909886/0 8 85 ORIGINAL INSPECTED
COPY
293036Ό
Es wurde auch festgestellt, daß, wenn man zuließ, daß der Partialdruck
des Chlors den des Kohlenstofftetrachlorids überstieg, isantropes Ätzen auftrat. Schließlich wurde festgestellt, daß, wenn
der Partialdruck des Chlors kleiner war als 1/2 des Partialdruckes
von Kohlenstofftetrachlorid, die Effektivität des Chlorgases als Ätzmittel für Aluminium vernachlässigbar war. Die Erfindung besteht
also aus einem zweistufigen Plasmaätzprozess, bei dem die erste Ätzoperation den Aluminiumoxydfilm von der Aluminiumoberfläche abträgt.
Vorzugsweise wird in diesem ersten Schritt reines Kohlenstofftetrachloridplasma
bei oder unter etwa 300 Micron verwendet. Eine zweite Ätzoperation wurde dadurch ausgeführt, daß Kohlenstofftetrachlorid und
Chlor in Kombination verwendet wurden, wobei der Gesamtdruck des Systems 250 Micron nicht überstieg und vorzugsweise zwischen 150 und
250 Micron lag, der Partialdruck des Chlors unter 100 Micron gehalten
wurde, nicht zugelassen wurde, daß der Partialdruck des Chlors den des Kohlenstofftetrachlorids überstieg, und schließlich der Partialdruck
des Chlors größer war als die Hälfte des Partial drucks des
Kohlenstofftetrachlorids. Es wurde ferner festgestellt, daß die optimalsten Ätzcharakteristiken erreicht wurden, wenn während des
zweiten Zyklus der Partialdruck des Chlors zwischen 50 und 100 Micron gehalten wurde, während der Partialdruck des Kohlenstofftetrachlorids
zwischen 80 und 150 Micron gehalten wurde.
Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Prozesses war es möglich,
eine Ätzselektivität von wenigstens 25 zu 1 aufrechtzuerhalten. Das
heißt, reines Aluminium würde 25mal schneller als Siliciumdioxyd
ätzen.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die vorangegangene Beschreibung spezieller
Partialdrucke der verschiedenen Arten nur als Beispiel erwähnt ist und nicht als Beschränkung für den Umfang der Erfindung zu betrachten ist.
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ORIGINAL INSPECTED
Claims (8)
- E8 P2 DPatentansprücheI., Verfahren zum Ätzen eines Aluminiumgegenstandes, der eine Aluminiumoxydschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Plasma gebildet wird, ausgewählte Bereiche des Aluminiumgegenstandes dem ersten Plasma ausgesetzt werden, bis im wesentlichen das gesamte Aluminiumoxyd in den ausgewählten Bereichen abgetragen ist,und ein zweites Plasma aus Kohlenstofftetrachlorid und Chlor gebildet wird, in dem der Gesamtdruck des Kohlenstofftetrachlorid- und Chlor-Plasmas 250 Micron oder weniger beträgt, der Partialdruck des Chlor-Plasmas 100 Micron oder weniger beträgt und der Partialdruck des Chlor-Plasmas unter dem Partialdruck des Kohlenstofftetrachlorid-Plasmas liegt.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Plasma aus Kohlenstofftetrachlorid besteht.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck des Chlor-Plasmas mehr als die Hälfte des Partialdruckes des Kohlenstofftetrachlorid-Plasmas beträgt.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck des Chlor-Plasmas etwa 50 bis 100 Micron beträgt.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck des Kohlenstofftetrachlorids zwischen etwa 80 und 150 Micron liegt.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzrate des Aluminiumgegenstandes etwa 1.000 AE/min beträgt..../A2909886/0885
- 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtdruck des Kohlenstofftetrachlorid-Chlor-Plasmas zwischen etwa 150 und 200 Micron liegt.
- 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzselektivität wenigstens etwa 25 zu 1 beträgt.909886/0885
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Representative=s name: WAGNER, K., DIPL.-ING., PAT.-ANW., 8000 MUENCHEN |
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