DE2940626C2 - Verfahren zum Plasma-Ätzen in Plasma-Reaktoren - Google Patents
Verfahren zum Plasma-Ätzen in Plasma-ReaktorenInfo
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Description
45
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasma-Ätzen
in Plasma-Reaktoren, insbesondere zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, bei dem sich im Reaktionsraum
zusätzlich zu den zu bearbeitenden Proben weiteres durch das Plasma ätzbares Material vorhanden
ist.
Solche Verfahren sind bereits bekannt (DE-OS 00 180); dort ist im Reaktionsraum zusätzlich zu den
zu ätzenden Proben eine Quarzplattc vorhanden, die Teil der Zielelektrode zur Erzeugung des H F- Feldes ist.
Beim Plasma-Ätzen reagieren die durch eine Gasentladung ionisierten Teilchen chemisch mit dem Material
der zu ätzenden Oberfläche eines Substratkörpers. Ein derartiger Substratkörper kann beispielsweise aus Silizium
oder aus Siliziumdioxyd bestehen. Das zu ätzende Material kann in Form einer dünnen Schicht auf einem
Substratkörper angeordnet sein. Der Plasmaätzprozeß läuft bei Temperaturen zwischen ca. 50 und 200 C ab.
Die Reaktionsprodukte bilden ein flüchtiges Gas und werden aus dem Reaktor abgezogen. Zur Urzeugung μ
des Plasmas wird ein Gas oder ein Gasgemisch in den Reaktionsraum eingebracht, das im ionisierten Zustand
die Substanz der zu ätzenden Oberfläche angreift. In der
Halbleitertechnologie werden insbesondere Materialien aus Silizium. Siliziumoxyd, Siliziumdioxyd oder Siliziumnitrid
geätzt Zur Ätzung wird beispielsweise ein Gasgemisch aus Tetrafluorkohlenstoff und einigen Prozent
Sauerstoff verwendet Der im Reaktionsgefäß aufrechterhaltene Gasdruck liegt bei ca. 1 Torr. Die Gasentladung, durch die das Reaktionsgas ionisiert wird,
wird mit Hilfe einer die Reaktionskammer umgebenden Spule erzeugt, der eine Spannung mit einer zugelassenen
Radiofrequenz aufgeprägt wird. Durch die Zusammenstöße der frei werdenden Elektronen mit den Gasmolekülen
entstehen chemisch stark reaktive Radikale oder Ionen, die beispielsweise die durch Fotolack unbedeckten
Bereiche einer Halbleiterscheibe stark angreifen.
Bei der Ätzung von Siliziumdioxyd auf Silizium-Halbleiterscheiben
mit Hilfe von Tetrafluorkohlenstoff (CF4)
entsteht beispielsweise als Reaktionsgas Sauerstoff und Siliziumtetrafluorid. Diese Stoffe werden über die Va-'
kuumpumpe abgesaugt
Das Plasma-Ätzverfahren wird u. a. in der Zeitschrift
»Circuits Manufacturing«, Oktober 1974, Seiten 72—75, näher beschrieben. In diesem Aufsatz wird auch erwähnt
daß beim Plasma-Ätzen ein selektives Ätzen dann nicht möglich ist wenn unter der zu ätzenden
Schicht ein Material angeordnet ist, das gleichfalls vom Plasma angegriffen wird. Dies gilt beispielsweise für die
Ätzung eon Siliziumdioxydschichten, die Silizium-Halbleiterscheiben
bedecken. In derartigen Fällen muß der Ätzvorgang mehrfach überprüft und exakt kontrolliert
werden. In diesem Zusammenhang ergibt sich aus der genannten Veröffentlichung, daß die Ätzrate unter anderem
von der Anzahl der in den Reaktor eingeführten Proben bzw. von der dem Plasma ausgesetzten ätzbaren
Oberfläche abhängig ist. Die Ätzrate ist um so größer, je kleiner die ätzbare Oberfläche gewählt wird. Dieser Effekt
wird als sogenannter »Ladeeffekt« bezeichnet der den Nachteil mit sich führt, daß jeweils eine von der
ätzbaren Oberfläche bzw. der Anzahl der in den Reaktor eingeführten Proben abhängige Ätzrate ermittelt
werden muß, um Fehlätzungen, insbesondere Überätzungen oder zu geringe Ätzungen, zu vermeiden.
Die Abhängigkeit der relativen Ätzrate von der Anzahl der in den Reaktorraum eingeführten Proben wird
an einem Beispiel in der F i g. 1 dargestellt Unter einer Probe wird hierbei beispielsweise eine Halbleiterscheibe
aus einkristallinem Siliziummaterial verstanden. Wie man der F i g. 1 entnehmen kann, ist die Ätzrate für eine
einzige im Reaktionsraum befindliche Halbleiterscheibe etwa drei- bis viermal so groß, wie die Ätzrate für zehn
oder mehr als zehn im Reaktionsraum gleichzeitig befindliche Halbleiterscheiben. Aus diesem Zusammenhang
ersieht man, daß der Plasma-Ätzprozeß insbesondere dann schwer zu kontrollieren ist, wenn die übereinander
liegenden Schichten auf einem Substratkörper durch das verwendete Plasma nicht selektiv ätzbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern,
daß die Ätzrate beim Plasma-Ätzen unabhängig von der Anzahl der im Reaktionsraum befindlichen Proben bzw.
unabhängig von der Größe der dem Plasma ausgesetzten ätzbaren Oberflächen ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß das zusätzliche ätzbare Material in einer solchen Menge in den Reaktionsraum
eingebracht wird, daß die Ätzratc an den Proben von der Anzahl der Proben bzw. von der der Ätzung
ausgesetzten Oberfläche der Proben im wesentlichen unabhängig wird.
Dadurch wird vorteilhafterweise von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß ab einer bestimmten Anzahl
von Proben im Reaktionsraum die Ätzrate keine wesentliche Veränderung mehr bei zunehmender Probenzahl
erfährL Um diesen Zustand auch bei einer geringen Anzahl von im Reaktionsraum befindlichen Proben
bzw. bei einer kleinen dem Plasma ausgesetzten ätzbaren Oberfläche zu simulieren, wird in den Reaktionsraum das zusätzliche Material eingebracht Dieses zusätzliche
ätzbare Material kann eine beliebige Form und Strukbu aufweisen. Empfehlenswert ist insbesondere
eine Form in Pulver, Körnern oder Bruchstücken. Im letzteren Fall lassen sich insbesondere unbrauchbar
gewordene Halbleiterscheiben in Bruchstückform weiterverwenden. Das zusätzliche Material kann aber
selbstverständlich auch in Form von Scheiben in den Reaktionsraum eingebracht werden; es ist jedoch zu
beachten, daß pulverförmiges oder körniges Material eine relativ große Oberfläche aufweist, so daß bei dieser
Form des zusätzlichen Materials der Materialaufwand gering bleibt Wenn das zusätzliche Material einer Menge
von ca. 10 Halbleiterscheiben entspricht, ist in jedem Fall sichergestellt, daß die Ätzrate auf den eigentlich zu
ätzenden Halbleiterproben konstant bleibt. Das beschriebene Verfahren kann insbesondere bei der Ätzung
von Silizium, Siliziumdioxyd, Siliziumnitrid, Cadmium-Quecksilber-Tellurid,
Wolfram, Tantal, Tantaloxyd, Tantalnitrid und Molybdän verwendet werden.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispie! der Erfindung
anhand der F i g. 2 näher erläutert
In der F i g. 2 ist ein Plasmareaktor 1 dargestellt, der mit einer Induktionsspule 2 umgeben ist. Die Reaktionskammer ist an einem Ende während des Ätzprozesses
mit einem Quarzdeckel 3 vakuumdicht abgeschlossen. Im Quarzrohr befindet sich ein Quarzständer 4, der beispielsweise
eine Anzahl von Halbleiterscheiben 5 trägt. Diese Scheiben sind parallel zueinander stehend angeordnet.
Die Halbleiterscheiben S bestehen beispielsweise aus einkristallinem Silizium mit unbedeckten Oberflächen,
wenn die Scheiben einer trockenen Oberflächenreinigung unterzogen werden sollen. In anderen
Fällen ist beispielsweise eine Oberflächenseite der Halbleiterscheiben 5 mit einer Siliziumdioxydschicht
bedeckt, die wiederum mit einer gegenüber dem Plasma nicht reaktionsfähigen Fotolackschicht unter Freilassung
von Diffusions- oder Kontaktierungsfenstern abgedeckt
wird. In den freigelassenen Bereichen soll die Siliziumdioxydschicht oder auch eine Siliziumnitridschicht
im Plasma entfernt werden. Der Reaktionsraum wird über eine Vakuumpumpe 9 und Ventile 8 bis auf
einen Restdruck zwischen 0,1 und 3 Torr evakuiert. Danach wird über ein anderes Ventil 8 aus einem Behälter
7 das Reaktionsgas in den Reaktionsraum eingeführt Dieses Reaktionsgas besteht beispielsweise aas Tetrafluorkohlenstoff
(CF4), dem 5-10% Sauerstoff zugesetzt werden. Das Reaktionsgas kann in anderen Fällen
auch aus C3F8, C2F6 und höheren Freonen bestehen. Ferner
werden als Reaktionsgase Freon-Wasserstoff- oder Freon-Chlor-Verbindungen, wie beispielsweise CHFj
oder C2CIF5, verwendet. Schließlich wird zur Einleitung
des Gasentladungsprozesses auf die Induktionsspule eine Spannung mit einer Frequenz von 13,56 MHz gegeben.
Hierbei stellt sich im Reaktionsgefäß eine Temperatur zwischen 40 und 120°C ein, und über das ionisierte
Plasma erfolgt in der bereits erläuterten Weise der die Ätzung verursachenden Reaktionsprozeß. Der Druck
im Reaktionsgefäß wird stets in einem Druckbercieh zwischen ca. 0,5 und 1,5 Torr gehalten.
Die Ätzrate liegt bei einem Reakiionsgas aus CF4 und
5—10% Sauerstoff bei der Ätzung von Siliziumdioxydschichten
bei ca. 100 A je Minute und ist unabhängig von der im Reaktor befindlichen Scheibenzahl. Eine
0,1 pm dicke S1O2-Schicht wird somit in 10 Minuten entfernt
In einem anderen Extremfall, bei dem die SiO2-Schicht 5 μπι dick ist, benötigt man eine Ätzzeit
von ca. 500 Minuten.
Anzahl der im Reaktor befindlichen Scheiben wird mit Hilfe des im Reaktor befindlichen zusätzlichen ätzbaren
Materials erzielt Dieses Material 11 befindet sich beispielsweise in einer Quarzschale 6 unterhalb des die
Halbleiterscheiben 5 tragenden Ständers 4. Diese Scha-Ie ist beispielsweise mit Siliziumpulver oder mit Bruchstücken
von Silizium-Ausfallscheiben gefüllt. Im Extremfall kann es sich auch um gereinigten Quarzsand
handeln. Die Menge des Materials entspricht beispielsweise der von 10 Halbleiterscheiben. Das in der Schale 6
befindliche zusätzliche Material reicht für eine Vielzahl von nacheinander ablaufenden Plasma-Ätzprozessen
aus. Qas Material muß stets nach dem Gesichtspunkt ausgewählt werden, daß es von dem jeweils verwendeten
Plasma in etwa dem gleichen Ausmaß angegriffen wird, wie das Probenmaterial. Dabei muß jedoch das
zusätzliche Material mit dem Probenmaterial nicht identisch sein. Es hat sich auch gezeigt daß das beschriebene
Verfahren vorteilhaft auf Cadmium-Quecksilber-Tellurid-Material angewandt werden kann. Dieses Material
wird insbesondere zur Herstellung von gegen Infrarotlicht empfindlichen Fotoelementen verwendet.
In der F i g. 2 ist eine zylindrische Reaktoranlage dargestellt,
was jedoch nicht bedeutet, daß nicht auch andere Plasma-Ätzanlagen Verwendung finden können. So
läßt sich das zusätzliche Material auch leicht in sogenannte Parallcl-Plattenanlagen einsetzen, bei denen die
Halbleiterscheiben auf Trägerplatten in liegender Form angeordnet sind.
Claims (6)
1. Verfahren zum Plasma-Ätzen in Plasma-Reaktoren, insbesondere zur Herstellung von Halbleiterbauelementen,
bei dem im Reaktionsraum zusätzlich zu den zu bearbeitenden Proben weiteres durch das
Plasma ätzbares Material vorhanden ist, dadurch
gekennzeichnet, daß das zusätzliche ätzbare Material (Ii) in einer solchen Menge in den Reaktionsraum
eingebracht wird, daß die Ätzrate an den Proben von der Anzahl der Proben bzw. von der der
Ätzung ausgesetzten Oberfläche der Proben im wesentlichen unabhängig ist
2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet
daß das zusätzliche ätzbare Material (11) in Form von Pulver, Körnern, Bruchstücken oder
Scheiben in den Reaktionsraum (10) eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das zusätzliche Material (U) in
einer Quarzschale (6) im Reaktionsraum (10) unterhalb der eigentlich zu bearbeitenden Proben (5) angeordnet
wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Bearbeitung
von Halbleiterscheiben aus Silizium, wobei das zusätzliche, dem Ätzplasma zur Ätzung ausgesetzte
Material (11) im Reaktionsraum aus Silizium oder einer Siliziumverbindung besteht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Bearbeitung
von Halbleiterscheiben aus Cadmium· Quecksilber-Tellurid.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Herstellung
von Diffusionsfenstern oder Kontaklierungsfenstern in maskierenden Schichten, die auf der
Oberfläche von scheibenförmigen Halbleiterkörpern angeordnet sind, oder zum Oberflächenreinigen
von Halbleiterscheiben.
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| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |