DE2940616A1

DE2940616A1 - Verfahren zum plasma-aetzen in plasma-reaktoren

Info

Publication number: DE2940616A1
Application number: DE19792940616
Authority: DE
Inventors: Gerhard Lässing; Hartmut 7100 Heilbronn Schnepf
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1979-10-06
Filing date: 1979-10-06
Publication date: 1981-04-16

Description

Verfahren zum Plasma-Ätzen in Plasma-Reaktoren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasma-Ätzen in Plasma-Reaktoren, insbesondere zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen, bei dem die zu ätzenden Proben in einem optisch kontrollierbaren Reaktionsgefäß in einer Reihe und parallel zueinander verlaufend angeordnet werden und zur Herstellung gleicher Strömungsverhältnisse im Arbeitsbereich des Reaktionsgefäßes der letzten Probe in der Reihe eine Blindprobe vorangestellt wird.
Beim Plasma-Ätzen werden bei relativ niedrigen Temperaturen (50 - 200 OC) durch eine Gasentladung ionisierte Teilchen erzeugt, die chemisch mit dem zu ätzenden Material reagieren. Bei dem zu ätzenden Material handelt es sich vorzugsweise um Halbleiterscheiben oder um Halbleiterverbindungen, die in Form von Schichten auf Halbleitersubstraten angeordnet sind. So wird mit Hilfe des Plasma-Ätzverfahrens insbesondere Silizium, Siliziumdioxid, Silizumnitrid oder beispielsweise Cadmium-Quecksilber-Tellurid geätzt. Es ist auch bekannt, daß mit Hilfe des Plasma-Xtzverfahrens Metalle und Metallverbindungen wie Aluminium, Wolfram, Tantai, Tantaloxid, Tantalnitrid und Molybdän geätzt werden können.
Die nicht zu ätzenden Oberflächenbereiche der genannten Schichten werden vorzugsweise mit einem Fotoresistlack abgedeckt.
Zur Erzeugung des Plasmas werden Freongase gegebenenfalls mit einem Zusatz von Sauerstoff verwendet. Derartige Gase sind beispielsweise Tetrafluorkohlenstoff (CF4) mit einem Zusatz von einigen Prozenten Sauerstoff oder höhere Freone wie C3F8, C2F6 sowie Freon-Chlor- oder Silizium-Fluor-Verbindungen. Die Gasentladung wird mit Hilfe einer das Reaktionsgefäß umgebenden Induktionsspule erzeugt, die mit einer Radiofrequenzspannung beaufschlagt wird. Der Druck im Ätzreaktor liegt während des Ätzvorganges bei 0,1 -3 Torr. Die erzeugten Reaktionsgase werden mit Hilfe einer Vakuumpumpe unter Aufrechterhaltung des Drucks im Reaktionsbehälter ständig abgepumpt. Diese Reaktionsprodukte sind beispielsweise bei der Ätzung von Siliziumdioxid mit Hilfe von Tetrafluorkohlenstoff Sauerstoff und Silizium-Tetrafluorid.
Das Plasma-Ätzverfahren ermöglicht in den meisten Fällen keine selektive Ätzung von Oberflächenschichten, da vielfach die unter der zu ätzenden Schicht liegende Schicht gleichfalls vom Plasma angegriffen wird. Es ist daher unbedingt erforderlich, den Ätzvorgang rechtzeitig abzubrechen, um Uberätzungen zu vermeiden. Die Ätzung darf jedoch auch nicht zu früh abgebrochen werden, da sonst beispielsweise bei der Herstellung von Diffusions- oder Kontaktierungsfenstern die verbleibenden Restschichten das Eindringen der Diffusionsstoffe bzw. eine ohmsche Kontaktierung verhindern.
Das Plasma-Ätzverfahren wird beispielsweise in der Zeitschrift "Circuits Manufacturing", Oktober 1974, Seite 72 -75, beschrieben. In diesem Aufsatz wird auch erwähnt, daß die Ätzrate von der Anzahl der im Reaktor befindlichen Proben bzw. der Oberflächengröße der zu ätzenden Bereiche ab- hängig ist. Ist die zu ätzende Gesamtoberfläche sehr klein, so wird eine große Ätzrate erzielt, die jedoch mit zunehmender Oberflächengröße bzw. mit zunehmender Anzahl von Proben im Reaktionsgefäß abnimmt. So hat sich beispielsweise gezeigt, daß bei 25 im Reaktor befindlichen Halbleiterscheiben, die einer Oberflächenreinigung unterzogen werden, die Ätzdauer viermal so groß ist, wie wenn nur eine einzige Scheibe im Reaktor bearbeitet wird.
Um Uberätzungen oder Unterätzungen zu vermeiden, wurden bisher aufwendige Verfahrenskontrollen vorgenommen. Diese bestehen beispielsweise darin, daß der Ätzvorgang mehrfach unterbrochen wird, um nach langwierigen Zwischenbelüftungen den Ätzzustand der Scheiben feststellen zu können. Ferner sind bereits Detektoren vorgeschlagen worden, die das abgesaugte Reaktionsgas mit Hilfe von Massenspektrometern analysieren, so daß beispielsweise der Übergang von einer Siliziumdioxidätzung zu einer Siliziumätzung festgestellt werden kann. Diese Kontrollverfahren sind aufwendig und relativ kostspielig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art eine einfache Möglichkeit zur Ätzkontrolle anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Blindprobe aus einem durchsichtigen Material gewählt wird Die genannte Blindplatte, die in Form und Abmessung weitgehend den eigentlich zu ätzenden Proben entspricht, besteht vorzugsweise aus durchsichtigem Quarzglas. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine optische Kontrolle der gegebenenfalls strukturierten Oberflächenseite einer zu bearbeitenden Halbleiterscheibe durch die Quarzglasplatte hindurch möglich. Andererseits sorgt die Quarzglas platte dafür, daß auch die letzte in der Reihe angeordnete Halbleiterscheibe unter den gleichen Strömungsverhältnissen des Plasmas wie die übrigen Scheiben geätzt wird.
Das erfindung jemäße Verfahren ist wesentlich billiger als die Kontrollverfahren mit Detektoren. Außerdem läßt sich der Endzeitpunkt der Ätzung exakt durch Beobachtung der Veränderung der Interferenzfarben auf den zu bearbeitenden Proben ermitteln. Das Ätzbild kann direkt beurteilt werden, so daß eine bessere Gleichmäßigkeit bei den Ätzvorgängen sichergestellt ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird in den Verfahrensablauf nicht eingegriffen, so daß sich hieraus keine erhöhte Störanfälligkeit der verwendeten Geräte ergibt.
Die Erfindung wird nachstehend noch an Hand der Figur näher erläutert. In der Figur ist ein Plasmareaktor 1 dargestellt, der im Betriebszustand am Einfüllstutzen für die zu bearbeitenden Proben mit einer durchsichtigen Deckelplatte 3, beispielsweise aus Quarz, vakuumdicht abgeschlossen ist. Das Reaktionsgas wird in die Reaktionskammer 10 aus einem Gasbehälter 7 über geeignete Ventile 8 zugeführt. Die Evakuierung des Gefäßes erfolgt über die Vakuumpumpe 9 in Verbindung mit geeigneten Ventilen 8. Im Reaktionsraum 10 sind auf einem Ständer 4, d r vorzugsweise aus Quarzglas besteht, stehend Halbleischeiben 5 angeordnet, die sich nicht berühren, so daß das Plasma zwischen den Halbleiterscheiben hindurchströmen kann. Die strukturierten Oberflächenseiten 12 der Halbleiterscheiben sind, um eine Beobachtung des Ätzvorganges zu ermöglichen, dem Deckel 3 zugewandt. Damit jedoch auch die letzte in der Reihe von Halbleiterscheiben angeordnete Struktur unter den gleichen Verhältnissen wie die Strukturen auf den anderen Halbleiterscheiben geätzt wird, muß die Reihe mit einer sogenannten Blindscheibe 13 abgeschlossen werden. Diese Blindprobe, für die beispielsweise eine Ausfallhalbleiterscheibe in Frage käme, bewirkt nun jedoch, daß die Struktur 12 auf der letzten dem Abschlußdeckel 3 zugewandten Halbleiterscheibe durch den Deckel hindurch nicht mehr beobachtet werden kann. Dieser Nachteil wird durch die Erfindung beseitigt, da die Abschlußplatte 13 nunmehr durchsichtig ist.
Das Reaktorgefäß ist mit einer Spule 2 umgeben, durch die mit Hilfe einer angelegten Radiofrequenzspannung von 13,56 MHz die Gasentladung im Reaktor aufgelöst wird. Im Reaktionsgefäß wird ein Druck von 0,1 bis ca. 3 Torr aufrechterhalten. Die Temperatur liegt zwischen 40 und 140 OC. Die Ätzrate liegt bei der Ätzung von Siliziumdioxid bei der Verwendung von Tetrafluorkohlenstoff und 5 - 10 % Sauerstoff als Ausgangsgas für das Plasma bei 100 °x je Minute. Infolge der feststellbaren Änderung der Interferenzfarbe während des Ätzvorganges kann beispielsweise exakt festgestellt werden, wann di erwünschte Ätzung einer Siliziumdioxidschicht in eine unerwünschte Siliziumoberflächenätzung übergeht. Die Ätzdauer hängt dabei vom zu ätzenden Material, vom verwendeten Plasma, von der Anzahl der zu ätzenden Halbleiterscheiben bzw. von der zu ätzenden Gesamtoberfläche und selbstverständlich von der Dicke der zu ätzenden Schicht ab. Auch der Gasdruck im Reaktionsgefäß und die Leistung der Induktionsspule beeinflussen die Ätzrate. Mit dem beschriebenen Verfahren können alle durch das Plasmaätzverfahren angreifbaren Stoffe behandelt werden. Es wird insbesondere für die Herstellung von Halbleiterscheiben und hier beispielsweise zur Öffnung von Diffusions- oder Kontaktierungsfenstern in Oxid- oder Nitridschichten auf Halbleitersubstraten eingesetzt.
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Claims

Patentansprüche 1) Verfahren zum Plasma-Ätzen in Plasma-Reaktoren, insbesone re zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen ,bei dem die zu ätzenden Proben in optisch kontrollierbaren Reaktionsgefäßen in einer Reihe und parallel zueinander verlaufend angeordnet werden und zur Herstellung gleicher Strömungsverhältnisse im Arbeitsbereich des Reaktionsgefäßes der letzten Probe in der Reihe eine Blindprobe vorangestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blindprobe (13) aus einem durchsichtigen Material gewählt wird.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blindprobe aus durchsichtigem Quarzglas verwendet wird.
3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Bearbeitung von im Abstand voneinander und parallel zueinander angeordneten Halbleiterscheiben aus Silizium oder Cadmium-Quecksilber-Tellurid bzw. der auf Halbleiter-Substratscheiben angeordneten Schichten aus Halbleiterverbindungen oder Metallen.
4) Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Verwendung bei der Herstellung von Diffusionsfenstern oder Kontaktierungsfenstern in einer die Oberfläche von Halbleiterscheiben maskierenden Schicht oder zum Oberflächenreinigen von Halbleiterscheiben.