DE3104024A1 - REACTIVE SPRAY SETTING OF SILICON - Google Patents
REACTIVE SPRAY SETTING OF SILICONInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrominiatur-Bauelements gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a method for producing a microminiature component according to the preamble of claim 1.
Solche Bauelemente sind beispielsweise integrierte Schaltkreise. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Ausbilden feinliniger Muster in derartigen Bauelementen mittels Trockenätzverfahren. Such components are, for example, integrated circuits. The invention relates in particular to the formation of fine-line patterns in such components by means of dry etching processes.
Es besteht ein großes Interesse daran, bei dem Ausbilden von Mustern in Werkstücken, wie beispielsweise Halbleiterwafern, Trockenverarbeitungsmethoden anzuwenden. Das Interesse an derartigen Methoden ist begründet durch deren im allgemeinen bessere Auflösung und leichtere Steuerbarkeit von Abmessungen und Formen im Vergleich zum herkömmlichen Naßätzen. Folglich findet das Trockenätzen mehr und mehr Anwendung bei der Ausbildung von Mustern beim Bearbeiten von beispielsweise Halbleiterwafern zum Herstellen von integrierten Großschaltkreisen (LSI-Bauelementen).There is great interest in the training of Apply dry processing methods to patterns in workpieces such as semiconductor wafers. That Interest in such methods is justified by their generally better resolution and easier controllability of Dimensions and shapes compared to conventional wet etching. As a result, dry etching is being used more and more in the formation of patterns in the processing of, for example, semiconductor wafers for the production of integrated ones Large circuits (LSI components).
Es sind verschiedene Trockenätzmethoden bekannt, bei denenVarious dry etching methods are known in which
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gasförmiges Plasma zum Einsatz kommt. Dies ist beispielsweise beschrieben in "Plasma-Assisted Etching for Pattern Transfer" von C. J. Mogab und W. R. Harshbarger, J. Vac. Sei. & Tech., 16 (2), März/April 1979, Seite 408. Wie in diesem Artikel ausgeführt ist, richteten sich in letzter Zeit die Bemühungen speziell auf die Entwicklung von Verfahren, bei denen reaktives Gasplasma so eingesetzt wird, daß chemische Reaktionen durch Bombardement mit geladenen Partikeln verstärkt werden. Ein derartiges vorteilhaftes Verfahren, das als reaktives Zerstäubungs-(oder Ionen-)Ätzen bezeichnet wird, ist in dem oben erwähnten Artikel von Mogab-Harshbarger beschrieben sowie in Proc. 6th Int 1I Vacuum Congr. 1974, Japan. J. Appl. Phys., suppl. 2, pt. 1, Seiten 435 - 438, 1974.gaseous plasma is used. This is described, for example, in "Plasma-Assisted Etching for Pattern Transfer" by CJ Mogab and WR Harshbarger, J. Vac. May be. & Tech., 16 (2), March / April 1979, p. 408. As indicated in this article, recent efforts have been directed specifically to the development of methods in which reactive gas plasma is used to carry out chemical reactions Bombardment with charged particles can be intensified. One such advantageous process, referred to as reactive sputter (or ion) etching, is described in the above-mentioned article by Mogab-Harshbarger and in Proc. 6th Int 1 I Vacuum Congr. 1974, Japan. J. Appl. Phys., Suppl. 2, pt. 1, pp. 435-438, 1974.
In jüngster Zeit wurden beträchtliche Anstrengungen unternommen, zuverlässige reaktive Zerstäubungsätzverfahren zum Ausbilden von feinlinigen Mustern auf Siliciumoberflachen auszuprobieren. Von besonderem Interesse begleitet waren die Tätigkeiten in Zusammenhang mit dem Ätzen von Polysilicium. Polysiliciumschichten, sowohl dotierte als auch nichtdotierte, bilden die Ausgangsschichten für wirtschaftlich bedeutungsvolle LSI-Bauelemente, wie beispielsweise dynamische 64K-Schreib/ Lese-Speicher (RAMs) vom MOS-Typ. Es wurde erkannt, daß verbesserte Verfahren zum Ausbilden von Mustern in Silicium durch reaktives Zerstäubungsätzen, soweit verfügbar, beitragen könntei zu einer spürbaren Herabsetzung der Kosten undSignificant efforts have recently been made to provide reliable reactive sputter etching techniques Try forming fine-line patterns on silicon surfaces. Activities in connection with the etching of polysilicon were of particular interest. Polysilicon layers, both doped and undoped, form the starting layers for economically significant ones LSI components, such as dynamic 64K write / MOS-type read-only memories (RAMs). It has been recognized that improved methods of forming patterns in silicon reactive sputter etching, if available, could contribute to a noticeable reduction in costs and
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zum Verbessern des Betriebsverhaltens derartiger Bauelemente oder anderer Strukturen, die Siliciumsubstrate oder -schichten enthalten.to improve the performance of such devices or other structures, the silicon substrates or layers contain.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Trockenätzverfahren anzugeben. Speziell soll ein reaktives Zerstäubungsätzverfahren für Silicium angegeben werden.The invention is therefore based on the object of an improved Indicate dry etching process. Specifically, a reactive sputter etching process for silicon is provided will.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. In einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das reaktive Zerstäubunqsätzen von monokristallinem Silicium sowie dotiertem oder nichtdotiertem polykristallinen Silicium erzielt in einem Chlorplasma bei relativ niedriger Leistung und bei geringem Druck. Bei monokristallinem Silicium und nichtdotiertem polykristallinen! Silicium ist das Kantenprofil der geätzten Schicht anisotrop. Bei dotiertem polykristallinem Silicium kann das Kantenprofil derart gesteuert werden, daß es irgendwo in dem Bereich zwischen vollständiger Isotropie und vollständiger Anirostropie liegt.This task is carried out by the characterizing part of the claim 1 specified features solved. In a special embodiment of the invention, the reactive atomization is used of monocrystalline silicon and doped or undoped polycrystalline silicon achieved in one Chlorine plasma at relatively low power and pressure. With monocrystalline silicon and undoped polycrystalline! Silicon is the edge profile of the etched layer anisotropic. With doped polycrystalline silicon this can Edge profile can be controlled so that it is somewhere in the range between complete isotropy and complete Anirostropia lies.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigenIn the following, the invention is explained in more detail with the aid of exemplary embodiments. Show it
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines speziellen, paralleleFig. 1 is a schematic representation of a special, parallel
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Platten aufweisenden Reaktors, in dem das erfindungsgeitiäße Verfahren ausgeführt v,7erden kann,Plates having reactor, in which the process according to the invention carried out v, 7 can be grounded,
Fig. 2 eine Querschnittansicht eines maskierten monokristallinen Siliciumteils, das entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung geätzt werden kann, undFIG. 2 is a cross-sectional view of a masked monocrystalline silicon member made in accordance with the teaching of FIG present invention can be etched, and
Fig. 3 eine Querschnittansicht einer maskierten polykristallinen Siliciumschicht, die gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung geätzt wird.3 is a cross-sectional view of a masked polycrystalline silicon layer made in accordance with the teachings of the present invention Invention is etched.
Erfindungsgemäß wird reaktives Zerstäubungsätzen beispielsweise in einem parallele Platten aufweisenden Reaktor durchgeführt, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, oder in einem anderen Reaktor bekannter Bauart.According to the invention, reactive sputter etching is carried out, for example, in a reactor having parallel plates, as shown in Fig. 1, or in another reactor of known type.
Der in Fig. 1 als spezielles Beispiel dargestellte Reaktor mit parallelen Platten enthält eine Ätzkammer 10, die durch einen nichtleitenden Zylinder 12 und zwei leitende Stirnplatten 14 und 16 gebildet wird. Der Zylinder 12 kann beispielsweise aus Glas bestehen, die Platten 14 und 16 können jeweils aus Aluminium bestehen. Weiterhin enthält der dargestellte Reaktor einen leitenden Werkstückhalter 18, der ebenfalls beispielsweise aus Aluminium besteht. In einem anschaulichen Beispiel besteht die Unterseite des Halters 18 aus einerThe reactor shown in Fig. 1 as a specific example with parallel plates contains an etching chamber 10, which by a non-conductive cylinder 12 and two conductive face plates 14 and 16 is formed. The cylinder 12 can, for example consist of glass, the plates 14 and 16 can each consist of aluminum. Furthermore, the one shown contains Reactor a conductive workpiece holder 18, which also consists, for example, of aluminum. In a descriptive Example consists of the bottom of the holder 18 from a
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25,4 cm großen Kreisfläche, die zur Aufnahme von sieben, jeweils 7,6 cm großen Wafern ausgelegt ist.25.4 cm large circular area, which can accommodate seven, each 7.6 cm large wafers is designed.
Die Wafer 20, deren untere (d. h. Vorder-) Flächen zu ätzen sind, sind gemäß Darstellung in Fig. 1 auf der Unterseite einer Platte 22 angebracht. Die Platte 22 ist derart ausgebildet, daß sie am Halter 18 durch geeignete Befestigungseinrichtungen (nicht dargestellt) wie beispielsweise Klammern oder Schrauben befestigbar ist. Gemäß einem Merkmal der Erfindung besteht die Platte 22 aus leitendem Material wie beispielsweise Aluminium, und die oberen oder Rückflächen der Wafer 20 werden in elektrischem Kontakt mit der Platte gehalten. The wafers 20 whose lower (i.e., front) faces are to be etched are on the underside as shown in Figure 1 a plate 22 attached. The plate 22 is designed such that it can be attached to the holder 18 by suitable fastening devices (not shown) such as brackets or screws can be attached. According to one feature of the invention the plate 22 is made of conductive material such as aluminum, and the top or back surfaces of the Wafers 20 are held in electrical contact with the plate.
Die Wafer 20 gemäß Fig. 1 v/erden auf der Platte 22 durch eine mit öffnungen ausgestattete Deckplatte 24 an ihrer Stelle gehalten. Die öffnungen sind bezüglich der Wafer 20 derart po~ sitioniert und ausgerichtet, daß jede Öffnung einen geringfügig kleineren Durchmesser aufweist als der entsprechend ausgerichtete Wafer. Auf diese Weise ist der Hauptteil der Vorderflache jedes Wafers für den ÄtzVorgang freigelegt. Die Deckplatte 24 ist an der Platte 22 durch irgendeine herkömmliche Anordnung befestigt.The wafers 20 according to FIG. 1 are grounded on the plate 22 by a with openings equipped cover plate 24 held in place. The openings are positioned and aligned with respect to the wafer 20 in such a way that each opening is slightly different has a smaller diameter than the correspondingly aligned wafer. In this way, the main part is the front surface each wafer exposed for the etching process. The cover plate 24 is attached to plate 22 by any conventional arrangement.
Vorteilhafterweise besteht die in der Ätzvorrichtung gemäß 3/4Advantageously, in the etching device according to 3/4
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Fig. 1 enthaltene Deckplatte 24 aus schwer zerstäubendem Material, das chemisch nicht mit dem Ätzgas reagiert, um ein nichtflüchtiges Material zu bilden. Als solches Material kommen anodisiertes Aluminium und Quarzglas in Frage.Fig. 1 contained cover plate 24 made of difficult to atomize material, which does not chemically react with the etching gas to form a non-volatile material. Come as such material anodized aluminum and quartz glass in question.
Der Werkstückhalter 18 gemäß Fig. 1 ist über ein HF-Abstimmnetzwerk 26 kapazitiv an einen HF-Generator 28 gekoppelt, der beispielsweise derart ausgebildet ist, daß er den Halter 18 bei einer Frequenz von 13,56 Megahertz betreibt. Weiterhin ist der Halter 18 über ein Filternetzwerk, das eine Spule 30 und einen Kondensator 32 aufweist, an ein Meßgerät 34, das den Spitzenwert der an den Halter 18 angelegten HF-Spannung anzeigt, angeschlossen.The workpiece holder 18 according to FIG. 1 is via an RF tuning network 26 capacitively coupled to an HF generator 28, which is designed, for example, in such a way that it holds the holder 18 operates at a frequency of 13.56 megahertz. Furthermore is the holder 18 via a filter network comprising a coil 30 and a capacitor 32, to a measuring device 34, which the Indicates peak value of the RF voltage applied to the holder 18, connected.
In Fig. 1 ist die Stirnplatte 14 auf ein Bezugspotential, beispielsweise auf !"lasse gelegt und bildet die Anorde des Reaktors.Der Werkstückhalter 18 bildet die betriebene Kathode des Reaktors. In dem in Fig. 1 als Beispiel dargestellten speziellen Reaktor beträgt der Abstand zwischen Anode und Kathode etwa 25,4 cm, der Durchmesser der Anodenplatte beträgt etwa 43,2 cm.In Fig. 1, the end plate 14 is at a reference potential, for example open! "and forms the Anorde of the reactor. The workpiece holder 18 forms the operated cathode of the reactor. In the in Fig. 1 as Example shown special reactor, the distance between anode and cathode is about 25.4 cm, the diameter of the Anode plate is approximately 43.2 cm.
Die in Fig. 1 dargestellte Stirnplatte 16 liegt ebenfalls auf Masse. Weiterhin ist an die Platte 16 eine ein offenes Ende aufweisende zylindrische Abschirmung 36, die den Halter 18 umgibt, angeschlossen und liegt somit auf Masse. DerjenigeThe face plate 16 shown in Fig. 1 is also grounded. Furthermore, the plate 16 has an open end having a cylindrical shield 36 that holds the holder 18 surrounds, connected and is therefore on ground. The one
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Abschnitt des Halters 18, der sich durch die Platte 16 erstreckt, ist von der Platte elektrisch durch eine nichtleitende Buchse 38 isoliert.Portion of holder 18 that extends through plate 16, is electrically isolated from the plate by a non-conductive socket 38.
Erfindungsgeraäß wird in der Kammer 10 eine Chlorgasatmosphäre zeugt. Das Chlorgas strömt aus einer herkömmlichen Quelle 40 gesteuert in die Kammer ein. Weiterhin wird durch eine herkömmliche Pumpe 42 in der Kammer ein vorgegebener niedriger Druck aufrechterhalten.According to the invention, a chlorine gas atmosphere is created in the chamber 10 testifies. The chlorine gas flows into the chamber in a controlled manner from a conventional source 40. Furthermore, by a conventional Pump 42 to maintain a predetermined low pressure in the chamber.
Durch Eingeben von Chlorgas in die Kammer 10 und durch Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen der Anode 14 und der Kathode 18 wird in der Kammer 10 ein reaktives Plasma erzeugt. Das entstehende Plasma ist in der Zeichnung kenntlich gemacht durch einen gleichförmig dunklen Bereich in unmittelbarer Nähe der zu ätzenden Werkstoffoberfläche. An den Werkstoffoberflachen während des Ätzvorgangs gebildete flüchtige Stoffe werden durch die Pumpe 42 aus der Kammer abgesaugt.By introducing chlorine gas into the chamber 10 and creating an electric field between the anode 14 and the cathode 18, a reactive plasma is generated in the chamber 10. The resulting plasma is identified in the drawing by a uniformly dark area in the immediate vicinity Proximity of the material surface to be etched. On the material surfaces Volatile substances formed during the etching process are evacuated from the chamber by the pump 42.
Fig. 2 zeigt im Querschnitt einen Abschnitt eines der zu ätzenden Wafer 20 in der Kammer 10. Gemäß Fig. 2 ist auf einem Substrat 48 aus monokristallinem Silicium eine in herkömmlicher Weise mit einem Muster versehene Maskenschicht 46 ausgebildet. Bei dem monokristallinen Silicium handelt es sich entweder um p- oder η-dotiertes Silicium, das einen spezifischen Widerstand von etwa 1 bis 10 Ohm-cm aufweist. Er-FIG. 2 shows in cross section a section of one of the wafers 20 to be etched in the chamber 10. According to FIG a substrate 48 of monocrystalline silicon one in conventional Mask layer 46 patterned in a manner is formed. It is the monocrystalline silicon is either p- or η-doped silicon, which has a resistivity of about 1 to 10 ohm-cm. He-
4/5 1SG0S1/05Ü 4/5 1SG0S1 / 05Ü
findungsgemäß werden die nicht maskierten Abschnitte des Siliciumsubstrats 48 in einem reaktiven Zerstäubungsützvorgang entfernt, um vertikale Wandungen aufweisende Ausformungen in dem Substrat zu bilden, die praktisch keinerlei Unterschneidungen der darüberliegenden Maskierschicht 46 haben. Wie in Fig. 2 durch gestrichelte Linien 47 angedeutet ist, bildet ein derartiges anisotropes Ätzen des Substrats 48 einen präzise definierten Kanal.according to the invention, the unmasked portions of the silicon substrate 48 are removed in a reactive sputter support process to form vertical walled formations in to form the substrate, which have practically no undercuts of the overlying masking layer 46. As in 2 is indicated by dashed lines 47, such an anisotropic etching of the substrate 48 forms a precise one defined channel.
Die Möglichkeit des anisotropen Ätzens in monokristallinem Silicium ist von praktischer Bedeutung bei der Herstellung von elektronischen Mikrominiaturbauteilen. So bildet beispielsweise der oben erwähnte Kanal in dem Substrat 48 gemäß Fig. 2 eine Zwischenstufe innerhalb des Verfahrens zum Herstellen eines Mikrominiatur-MOS-Kondensators. Andere Bauelementstrukturen, die anisotropes Ätzen eines Substrats oder einer Schicht monokristallinen Siliciums während des Herstellungsvorgangs erforderlich machen, sind dem Fachmann bekannt.The possibility of anisotropic etching in monocrystalline silicon is of practical importance in the manufacture of electronic micro-miniature components. For example, the above-mentioned channel in the substrate 48 according to FIG. 2 forms one Intermediate stage in the process of manufacturing a microminiature MOS capacitor. Other component structures, required anisotropic etching of a substrate or a layer of monocrystalline silicon during the manufacturing process make are known to the person skilled in the art.
Das anisotrope Ätzen sowohl dotierter als auch nichtdotierter Polysiliciumschichten hat besondere Bedeutung bei der Herstellung von LSI-Bauelementen. So beispielsweise ist es bei der Herstellung von MOS-RAMs typischerweise in verschiedenen Verfahrensschritten notwendig, dünne Schichten dotierten oder nichtdotierten Polysiliciums mit einem exakten Muster zu versehen. The anisotropic etching of both doped and non-doped polysilicon layers is of particular importance in production of LSI components. For example, in the manufacture of MOS-RAMs it is typically in different Process steps necessary to provide thin layers of doped or undoped polysilicon with an exact pattern.
5/6 13ÖÖ51/0561 5/6 13ÖÖ51 / 0561
Fig. 3 zeigt im Querschnitt einen Abschnitt eines MQS-RAM-Bauelements, das eine zu ätzende Polysiliciumschicht aufweist. Fig. 3 zeigt eine dünne (beispielsweise 50 Nanometer starke) Schicht 50 aus Siliciumdioxid auf einem monokristallinen Siliciumteil 52. Oben auf der Schicht 50 befindet sich eine Schicht 54 aus polykristallinem Silicium. Die Schicht 54 ist beispielsweise 500 Nanometer stark. Oben auf der zu ätzenden Schicht 54 befindet sich eine in herkömmlicher Weise mit einem Muster versehene Maskierschicht 56.3 shows a section of an MQS RAM component in cross section, which has a polysilicon layer to be etched. Fig. 3 shows a thin (for example 50 nanometer thick) Layer 50 of silicon dioxide on a monocrystalline silicon part 52. On top of layer 50 is a layer 54 of polycrystalline silicon. Layer 54 is for example 500 nanometers thick. On top of the layer 54 to be etched is one in a conventional manner with a Patterned masking layer 56.
Fig. 3 stellt eine grundsätzliche Darstellung verschiedener Abschnitte desselben Speicher-Bauelements dar. In einigen Abschnitten des herzustellenden Bauelements besteht die Schicht aus dotiertem Polysilicium, die übliche Bezeichnung hierfür ist Poly-1-Ebene. In anderen Abschnitten desselben Bauelements besteht die Schicht 54 aus nichtdotiertem Polysilicium. Diese nichtdotierte Schicht wird für gewöhnlich als Poly-2-Ebene bezeichnet. 3 shows a basic representation of various sections of the same memory device. In some sections The layer of the component to be produced consists of doped polysilicon, which is the usual name for this Poly-1 level. In other portions of the same device, the layer 54 consists of undoped polysilicon. These undoped layer is usually referred to as poly-2 plane.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein anisotropes Ätzen von Schichten entweder dotierten oder nichtdotierten Polysiliciums erreicht. Das anisotrope Ätzen der Schicht 54 gemäß Fig. 3 ist dort durch die gestrichelten Linien 58 dargestellt. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, isotropes Ätzen von dotierten Polysiliciumschichten zu erreichen. Ein voll-In accordance with the present invention, anisotropic etching of layers of either doped or undoped polysilicon is used achieved. The anisotropic etching of the layer 54 according to FIG. 3 is shown there by the dashed lines 58. According to the invention, however, it is also possible to achieve isotropic etching of doped polysilicon layers. A full
130051/0 5 S1130051/0 5 S1
ständiges isotropes Profil ist in Fig. 3 durch die gekrümmten gestrichelten Linien 60 angedeutet. Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es darüberhinaus möglich, das Ätzen einer dotierten Polysiliciumschicht selektiv zu steuern, um in der Schicht ein Kantenprofil zwischen den in Fig. 3 dargestellten vollständig anisotropen und vollständig isotropen Fällen zu erreichen.permanent isotropic profile is shown in Fig. 3 by the curved dashed lines 60 indicated. Furthermore, according to a feature of the present invention, it is possible to use the Etching of a doped polysilicon layer to selectively control in order to create an edge profile in the layer between those shown in FIG. 3 shown to achieve fully anisotropic and fully isotropic cases.
Eer Ausdruck "dotiertes" Polysilicium bezieht sich im vorliegenden Zusammenhang auf eine Polysilbiumschicht, der ein p-Dotierstoff, wie beispielsweise Phosphor, zugegeben wurde. Die Dotierstoffkonzentration einer solchen Schicht wird so gesteuert, daß sich ein spezifischer Widerstand im Bereich zwischen 20 und 100 Ohm-cm ergibt.The term "doped" polysilicon is used herein to refer to Connection to a polysilbium layer, which is a p-type dopant, such as phosphorus, was added. The dopant concentration of such a layer is controlled in such a way that that there is a specific resistance in the range between 20 and 100 ohm-cm.
Erfindungsgemäß eignen sich verschiedene Materialien zum Ausbilden der mit einem Muster versehenen Maskierschichten 46 und 56 gemäß Fig. 2, bzw. 3. Diese Materialien umfassen organisches und anorganisches Abdeckmaterial, Siliciumdioxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Titan, Tantal, Wolframoxid, Kobaltoxid und die feuerbeständigen Siliciumverbindungen von Titan, Tantal und Wolfram. Die aus diesen Materialien bestehenden Maskierschichten werden durch Verwendung herkömmlicher Lithographie- und Ätzmethoden mit einem Muster versehen.Various materials are suitable for forming in accordance with the invention of the patterned masking layers 46 and 56 of Figures 2 and 3, respectively. These materials comprise organic and inorganic covering material, silicon dioxide, magnesium oxide, aluminum oxide, titanium, tantalum, tungsten oxide, cobalt oxide and the refractory silicon compounds of titanium, tantalum and tungsten. Those made from these materials Masking layers are patterned using conventional lithography and etching techniques.
Erfindungsgemäß wird reaktives Zerstäubungsätζen monokristalli-According to the invention reactive atomization is monocrystalline
130051/0661-130051 / 0661-
nen Siliciums und dotierten oder nichtdotierten polykristallinen Siliciums in einer Chlorgasatmosphare durchgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die in der Ätzkammer hergestellte Atmosphäre im wesentlichen reines Chlor. Typischerweise bedeutet dies in einem praktischen Beispiel, daß das Chlorgas, das eine Reinheit von etwa 95 bis 99,5 % aufweist, der einzige Bestandteil ist, der gezielt, d. h. zweckdienlich in die Kammer eingegeben wird. Unter den hier spezifizierten speziellen Verfahrensbedingungen dient eine solche reine Chlorgasatmosphare zum Erzielen einer relativ hohen Ätzgeschwindigkeit für Silicium. Darüberhinaus ist die Selektivität zwischen dem zu ätzenden Silicium und anderen Schichten (wie z. B. der Maskierschicht und anderen Schichten in der Bauelementstruktur, die z. B. aus Siliciumdioxid be-> stehen) relativ hoch. Darüberhinaus ist die Verwendung von ausschließlich Chlorgas als in die Kammer eingegebenes Medium im allgemeinen zu bevorzugen aufgrund der relativ einfachen Handhabbarkeit und Steuerbarkeit einer nur ein Gas liefernden Quelle.silicon and doped or undoped polycrystalline Silicon carried out in a chlorine gas atmosphere. In a preferred embodiment, it contains in the etching chamber produced atmosphere essentially pure chlorine. Typically this means in a practical example, that the chlorine gas, which has a purity of about 95 to 99.5% is the only component that is targeted, i. H. is expediently entered into the chamber. Among those here specified special process conditions is used such a pure chlorine gas atmosphere to achieve a relatively high etching rate for silicon. In addition, the Selectivity between the silicon to be etched and other layers (such as the masking layer and other layers, for example in the component structure z. B. made of silicon dioxide> stand) relatively high. In addition, only chlorine gas is used as the medium introduced into the chamber generally preferred due to the relatively simple handling and controllability of only one gas supplying source.
Erfindungsgemäß jedoch können auch andere Bestandteile als Chlor in die Reaktionskammer eingegeben werden, um ein gesteuertes Ätzen von Silicium zu erreichen, vorausgesetzt, daß die hier spezifizierten Prozeßbedingungen eingehalten werden. Im allgemeinen jedoch setzt das Zugeben weiterer Bestandteile zu dem Chlor die differentielle Ätzgeschwindigkeit zwischenAccording to the invention, however, constituents other than Chlorine can be introduced into the reaction chamber to achieve a controlled etching of silicon, provided that the process conditions specified here are observed. In general, however, the addition of other ingredients continues to the chlorine the differential etching rate between
13Ö051/QSS113Ö051 / QSS1
dem Silicium und anderen Materialien wie z. B. Siliciumdioxid, in der zu bearbeitenden Struktur herab. Beispielsweise können zu dem Chlor zum Ausführen des reaktiven Zerstäubungsätzens von Silicium Bestandteile hinzugegeben werden, wie z. B. Argon oder andere Edelgase, und zwar bis etwa 20 bis 25 Vol.-%, Stickstoff bis zu etwa 20 bis 25 Vol.-% oder Helium bis etwa 50 Vol.-%.the silicon and other materials such as. B. silicon dioxide, in the structure to be machined. For example can be added to the chlorine for carrying out reactive sputter etching of silicon, such as B. argon or other noble gases, up to about 20 to 25 vol .-%, nitrogen up to about 20 to 25 vol .-% or Helium up to about 50% by volume.
Erfindungsgemäß kann das Ätzen z. B. in einem parallele Platten aufweisenden Reaktor durchgeführt werden, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, oder aber in einem Mehrfacetten-Reaktor bekannter Bauart. Zum anisotropen Ätzen mit einer solchen Anlage wird gemäß einem speziellen Beispiel der vorliegenden Erfindung ein Chlor-Partialdruck von etwa 20/3 Mikrobar in der Ätzkaramer erzeugt. Für den speziell dargestellten Reaktor mit Parallelplatten wird in die Ätzkammer Chlorgas eingegeben, und zwar vorteilhaft mit einer Volumengeschwindigkeit von etwa 10 cm pro Minute. Bei einem Mehrfacetten-Reaktor wird einAccording to the invention, the etching z. B. be carried out in a parallel plate reactor, as shown in Fig. 1, or in a multi-facet reactor of known design. For anisotropic etching with such a system , a chlorine partial pressure of about 20/3 microbar is generated in the etching karamer according to a specific example of the present invention. For the specially illustrated reactor with parallel plates, chlorine gas is introduced into the etching chamber, advantageously at a volume rate of about 10 cm per minute. In the case of a multi-facet reactor, a
Chlorgasstrom von etwa 30 cm pro Minute erzeugt.Generates chlorine gas flow of about 30 cm per minute.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine LeistungsdichteAccording to the present invention, a power density becomes
von beispielsweise etwa 0,20 Watt pro cm an den Oberflächen des zu ätzenden Werkstücks in einem Mehrfacetten-Reaktor herbeigeführt. Für einen Reaktor mit Parallelplatten beträgt dieof, for example, about 0.20 watts per cm on the surfaces of the workpiece to be etched in a multi-facet reactor. For a reactor with parallel plates this is
2 Leistungsdichte beispielsweise 0,25 Watt pro cm'.2 Power density, for example 0.25 watt per cm '.
130G51/Q5S1130G51 / Q5S1
Bei den oben spezifizierten speziellen Bedingungen wurden jeweils monokristallines Silicium und nichtdotiertes polykristallines Silicium anisotrop in den angegebenen Anlagen mit einer Rate von etwa 60 Nanometer pro Minute geätzt. Bei jedem Reaktor betrug die entsprechende anisotrope Ätzrate für dotiertes Polysilicium etwa 120 Nanometer pro· Minute.Under the special conditions specified above, each became monocrystalline silicon and undoped polycrystalline Silicon etched anisotropically in the specified facilities at a rate of about 60 nanometers per minute. at For each reactor, the corresponding anisotropic etch rate for doped polysilicon was about 120 nanometers per minute.
Um das anisotrope Ätzen einer dotierten Polysiliciumschicht in der beschriebenen Weise zu erreichen, ist es wesentlich, daß die Rückseite des zu ätzenden Werkstücks während des Ätzvorgangs in gutem elektrischen Kontakt mit der betriebenen Kathodenelektrode gehalten wird. Andernfalls ergibt sich isotropes Ätzen der dotierten Polysiliciumschicht. Bei niphtdo~ tiertem Polysilicium und bei monokristallinem Silicium jedoch wird anisotropes Ätzen unabhängig davon erreicht, ob die Rückseite des Werkstücks elektrischen Kontakt mit der betriebenen Kathodenelektrode hat.In order to achieve the anisotropic etching of a doped polysilicon layer in the manner described, it is essential that that the back of the workpiece to be etched is in good electrical contact with the operated one during the etching process Cathode electrode is held. Otherwise isotropic etching of the doped polysilicon layer results. At niphtdo ~ oriented polysilicon and monocrystalline silicon, however, anisotropic etching is achieved regardless of whether the back of the workpiece makes electrical contact with the operated Has cathode electrode.
Anisotrope Ätzvorgänge der oben geschilderten Art sind gekennzeichnet durch eine relativ hohe differentielle Ätzrate im Hinblick beispielsweise auf Siliciumdioxid und herkömmliche Abdeckmaterialien wie z. B. HPR-204 (das von der Firma Philip A. Hunt Chemical Corp. Palisades Park, New Jersey erhalten werden kann). Die oben erläuterten beispielhaften Verfahren bei monokristallinem Silicium und nichtdotiertem Polysilicium ätzen Silicium etwa 30 mal schneller als Silicium-Anisotropic etching processes of the type described above are marked by a relatively high differential etch rate with respect to, for example, silicon dioxide and conventional ones Covering materials such as B. HPR-204 (obtained from Philip A. Hunt Chemical Corp. Palisades Park, New Jersey can be). The exemplary methods discussed above for monocrystalline silicon and undoped polysilicon etch silicon about 30 times faster than silicon
130051/0611130051/0611
"~ 17 —"~ 17 -
dioxid und etwa dreimal schneller als Abdeckmaterial. Der oben erläuterte Vorgang für dotiertes Polysilician ätzt die Polysiliciumschicht etwa fünfzigmal schneller als Siliciumdioxid und etwa sechsmal schneller als Abdeckmaterial.dioxide and about three times faster than masking material. The one explained above Doped polysilician process etches the polysilicon layer approximately fifty times faster than silica and about six times faster than masking material.
Das oben speziell erläuterte anisotrope reaktive Zerstäubungsätzen hat lediglich beispielhaften Charakter. Im allgemeinen kann gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung ein derartiges Ätzen durchgeführt werden durch Auswählen von Chlor-Partialdrücken, Chlor-Gasströmen und Leistungsdichten in den Bereichen von 8/3 bis 200/3 Mikrobar, 2 bis 150 cm pro Minute (mit der Ausnahme, daß zum Ätzen in dem erwähnten Mehrfacetten-Reaktor der Gasstrom wenigstens 10 cm pro Minute betragenThe anisotropic reactive sputter etching specifically explained above is merely exemplary in nature. In general According to the teaching of the present invention, such etching can be carried out by selecting chlorine partial pressures, Chlorine gas flows and power densities in the ranges from 8/3 to 200/3 microbar, 2 to 150 cm per minute (with the exception that for etching in the aforementioned multi-facet reactor the gas flow is at least 10 cm per minute
2
muß) bzw. 0,03 bis 2 Watt pro cm .2
must) or 0.03 to 2 watts per cm.
Wie oben erwähnt wurde, ergibt sich isotropes Ätzen dotierten Polysiliciums, falls die Rückseite des zu ätzenden Werkstücks nicht in elektrischem Kontakt mit der betriebenen Kathodenelektrode der Ätzvorrichtung gehalten wird. Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung wird alternativ isotropes Ätzen dotierten Polysiliciums erreicht, während die Rückseite des Werkstücks in elektrischem Kontakt mit der betriebenen Kathodenelektrode gehalten wird. Dies wird erreicht durch Schaffen spezieller Bedingungen in der Ätzkammer, wie es unten ausgeführt wird. Durch Ändern dieser Bedingungen kann insbesondere das Ätzverfahren derart gesteuert werden, daß Variationsmöglichkeit besteht zwischen vollständiger IsotropieAs mentioned above, isotropic etching of doped polysilicon results if the back of the workpiece to be etched is not kept in electrical contact with the operated cathode electrode of the etching device. According to one feature of the present invention, isotropic etching of doped polysilicon is achieved while the back side of the workpiece is kept in electrical contact with the operated cathode electrode. This is achieved through Create special conditions in the etching chamber, as outlined below. In particular, by changing these conditions the etching process can be controlled in such a way that there is a possibility of variation between complete isotropy
13ÖÖS1/Ö5S113ÖÖS1 / Ö5S1
und vollständiger Anisotropie.and complete anisotropy.
Gemäß einem speziellen Beispiel wird vollständig isotropes reaktives Zerstäubungsätzen dotierten Polysiliciums in einer Chlorgasatmosphäre innerhalb eines Parallelplatten-Reaktors dadurch erreicht, daß in dem Reaktor ein Chlor-Partialdruck von beispielweise etwa 80/3 Mikrobar, ein Gasstrom von etwa 10 cm pro Minute und eine Leistungsdichte von 0,125 WattAccording to a specific example, it becomes completely isotropic reactive sputter etching of doped polysilicon in a chlorine gas atmosphere within a parallel plate reactor achieved in that a chlorine partial pressure in the reactor of, for example, about 80/3 microbar, a gas flow of about 10 cm per minute and a power density of 0.125 watts
pro cm geschaffen wird. Die entsprechenden Zahlen in einem Mehrfacetten-Reaktor sind 80/3, 30 bzw. 0,10. Durch Variieren dieser Parameter zwischen den in diesem Abschnitt spezifizierten Werten und den weiter oben spezifizierten Werten für anisotropes Ätzen dotierten Polysiliciums kann das Kantenprofil der geätzten Schicht so gesteuert werden, daß es irgendwo in dem Bereich zwischen vollständiger Isotropie und vollständiger Anisotropie liegt.per cm is created. The corresponding numbers in a multi-facet reactor are 80/3, 30 and 0.10, respectively. By varying this parameter between the values specified in this section and the values specified above for anisotropic Etching doped polysilicon, the edge profile of the etched layer can be controlled so that it is anywhere in is the range between complete isotropy and complete anisotropy.
Wenn somit diese Parameter beispielsweise zu 20 Mikrobar, 10So if these parameters are, for example, 20 microbar, 10
3 23 2
cm pro Minute und 0,20 Watt pro cm gewählt werden, erhält man Ätzbedingungen für dotiertes Polysilicium, die f^ast exakt zwischen vollständiger Isotropie und vollständiger Anisotropie liegen. Unter diesen Bedingungen beträgt die Stärke an Unterschneidungen (maximales seitliches Ätzen) etwa der Hälfte der vertikalen Stärke der geätzten Schicht.cm per minute and 0.20 watt per cm are selected, one obtains etching conditions for doped polysilicon which are exactly f ^ ast lie between complete isotropy and complete anisotropy. Under these conditions the strength is on Undercuts (maximum lateral etching) about half the vertical thickness of the etched layer.
Die oben erläuterten speziellen Beispiele des isotropen 1300 51/OSSiThe above-mentioned specific examples of the isotropic 1300 51 / OSSi
reaktiven Zerstäubungsätzens dotierten Polysiliciums dienen lediglich der Anschauung. Erfindungsgeinäß kann ein derartiges Ätzen allgemein dadurch ausgeführt werden, daß Chlor-Partialdrücke, Chlorgasströme und Leistungsdichten in denreactive sputter etching doped polysilicon serve just the intuition. According to the invention, such a thing can be achieved Etching are generally carried out in that chlorine partial pressures, Chlorine gas flows and power densities in the
Bereichen 8/3 bis 200/3 Mikrobar, 2 bis 150 cm3 pro Minute,Ranges 8/3 to 200/3 microbar, 2 to 150 cm 3 per minute,
2
bzw. 0,06 bis 2 Watt pro cm gewählt werden. Indem aus diesen Bereichen spezielle Werte ausgewählt werden, um statt anisotropem
Ätzen isotropes Ätzen dotierten Polysiliciums zu erhalten, besteht für jeden Satz ausgewählter Werte das Eigentümliche
darin, daß für eine gegebene Leistungsdichte ein entsprechendes Minimum oder ein Schwellenwertdruck vorliegt, oberhalb
dessen isotropes Ätzen erfolgt. Bei ansteigender Leistungsdichte steigt der entsprechende Schwellenwertdruck für isotropes
Ätzen linear an. Andererseits besteht für einen gegebenen Druck eine maximale Leistungsdichte, unterhalb derer
isotropes Ätzen erfolgt.2
or 0.06 to 2 watts per cm can be selected. By selecting specific values from these ranges to obtain isotropic etching of doped polysilicon instead of anisotropic etching, the peculiarity of each set of selected values is that for a given power density there is a corresponding minimum or threshold pressure above which isotropic etching occurs. With increasing power density, the corresponding threshold pressure for isotropic etching increases linearly. On the other hand, for a given pressure there is a maximum power density below which isotropic etching takes place.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Kombination aus relativ niedriger Leistungsdichte, einem relativ niedrigen Partialdruck des Chlors und einem adäquaten Chlorgasstrom in die Ätzkammer wirksam, um die Grundlage für eine effiziente Ätzreaktion zu schaffen. Seitens der Anmelderin wird angenommen, daß bei dem geschilderten Ätzvorgang auf das zu ätzende Werkstück auftreffende Ionen Chlorteile an der Oberfläche des Werkstücks aktivieren. Das so aktivierte Chlor wiederum reagiert mit dem zu ätzenden Material (Silicium), so daßIn accordance with the present invention, the combination of a relatively low power density is a relatively low one Partial pressure of the chlorine and an adequate flow of chlorine gas into the etching chamber are effective to create the basis for efficient To create an etching reaction. On the part of the applicant it is assumed that in the etching process described on the to be etched Ions striking the workpiece activate chlorine particles on the surface of the workpiece. The chlorine activated in this way, in turn reacts with the material to be etched (silicon), so that
10/11 1'3Ö05l/05S110/11 1'3Ö05l / 05S1
3104Q243104Q24
flüchtige Stoffe entstehen, die aus der Ätzkammer durgh die angeschlossene Pumpe entfernt werden. In der Praxis wird der Chlorstrom in die Kammer vorteilhafterweise über einem Schwellenwert gehalten. Auf diese Weise erhält man eine adäquate Zufuhr des Materials (Chlor), wodurch eine spezielle Ätzrate erzielt und während des Ätzvorgangs beibehalten wird.volatile substances arise from the etching chamber durgh the connected pump must be removed. In practice, the flow of chlorine into the chamber is advantageously over one Threshold held. In this way you get an adequate supply of the material (chlorine), creating a special Etching rate is achieved and maintained during the etching process.
Die oben erläuterten reaktiven Zerstäubungsätzvorgänge, ver~ wenden relativ niedrige Drücke und niedrige Leißtungsdichten. Aufgrund der angegebenen niedrigen Leistungsdichten entstehen bei der Durchführung des Verfahrens keine" nennenswerten thermisch induzierten Störungen wie beispielsweise eine Werkstückdurchbiegung oder Größenänderungen in der Anlage selbst. Weiterhin werden Verfügbarkeit und Ausgestaltung der HF-Generatoren zum Betreiben der Ätzanlage durch die gelingen Leistungsanforderungen erleichtert.The reactive sputter etching processes discussed above, ver ~ apply relatively low pressures and low conduction densities. Due to the specified low power densities arise When carrying out the method, no "noteworthy thermally induced disturbances such as, for example Workpiece deflection or changes in size in the system itself. Furthermore, the availability and design of the HF generators for operating the etching system are made easier by the successful performance requirements.
Darüberhinaus zeichnen sich die beschriebenen Verfahren durch eine relativ hohe Gleichförmigkeit der Ätzrate an jedem einr zelnen Werkstück und von einem Werkstück zum anderen aus. Es wurde ermittelt, daß derartige Schwankungen in der Ätzrate in der Praxis nicht über t 2 % liegen.In addition, the methods described are characterized by a relatively high uniformity of the etching rate on each individual workpiece and from one workpiece to another. It has been found that such fluctuations in the etching rate do not in practice exceed t 2%.
Darüberhinaus haben die erfindungsgemäßen Verfahren keine Belastungsauswirkungen, (Wie man weiß, ^st die Belastung dieIn addition, the methods according to the invention have no impact on pollution, (As you know, the burden is the
130Ö51/OSS1130Ö51 / OSS1
Abhängigkeit der Ätzzeit von der zu ätzenden Gesamtfläche.) Es wurde weiterhin ermittelt, daß das Kantenprofil, die Ätzrate und die Selektivität jedes dieser Bearbeitungsvorgänge praktisch unabhängig ist von der speziellen Mustergeoraetrief Formgröße und dem beim Ätzen verwendeten Maskenmaterial.Dependence of the etching time on the total area to be etched. It was also determined that the edge profile, the etching rate and the selectivity of each of these processing operations are practically independent of the special pattern geometry f shape size and the mask material used in the etching.
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Also Published As
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FR2478421A1 (en) | 1981-09-18 |
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CA1148895A (en) | 1983-06-28 |
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