DE3118839A1 - Trockenaetzverfahren - Google Patents
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Description
SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF . "E B θ 11^ <3"κ;ΑΗ>5*; FÜNCK
MARIAHILFPLATZ 2 4 3, MÜNCHEN BO
POSTADRESSEi POSTFACH ΘΒΟΙβΟ. D-8OOO MÜNCHEN BS
HITACHI, LTD. 12. Mai 1981
DEA-25 455
Trockenätzverfahren
130067/0Ö21
3119539
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung der 5 Oberfläche eines Werkstücks durch Trockenätzen unter Anwendung
eines Glimmentladungsplasmas und insbesondere ein Verfahren zum selektiven Ätzen eines Materials für Halbleiterbauteile,
wie Silicium, Molybdän, Wolfram, Chrom, TiW, Siliciumdioxid, Phosphosilikatglas oder Siliciumnitrid
durch die Anwendung einer Plasmaätzeinrichtung mit einer parallelen Anordnung der Elektrodenplatten.
In jüngster Zeit werden immer kleinere und kleinere elektronische Bauteile von integrierten Halbleiterschaltungen
entwickelt, so daß die sogenannte "Trockenätzmethode", bei der ein Gasplasma verwendet wird, eine schnelle Entwicklung
als die Methode genommen hat, mit der die betreffenden Materialien anstelle der herkömmlichen Naßätzmethoden
unter Anwendung einer Flüssigkeit mit hoher Genauigkeit und fein bearbeitet werden können. Insbesondere
kann »"it Hilfe von Plasmaätzeinrichtungen mit einer parallelen
Anordnung der Elektrodenplatten ein selektives Ätzen von Aluminium, Aluminiumlegierungen, Siliciumdioxid
und dergleichen erfolgen, wobei die praktischen Untersuchungen
hoch entwickelt sind.
Bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen oder dergleichen wird im allgemeinen eine Siliciumverbindung,
wie Siliciumdioxid, Phosphosilikatglas (Phosphatglas) oder Siliciumnitrid,in großem Umfang als elektrisch isolierender
Film zur Trennung von Elementen und zwischen den Schichten, als Maske für das Ätzen, die Diffusion, die Oxidation
oder die Ionenimplantation oder als Schutzfilm verwendet. Nach den herkömmlichen Methoden werden als Gas für
das Trockenätzen von Siliciumverbindungen oder polykri-
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stallinem Silicium oder Molybdän, das als Gate-Material
für MOS-Transistoren dient, nicht nur Fluorkohlenstoffe der Formel CF , wie CF4, oder diese gasförmigen Verbindungen
in Mischung mit Sauerstoff oder einem Inertgas verwendet, sondern auch ein Fluorkohlenstoff bzw. Fluorkohlenwasserstoff
enthaltendes Gas, wie CCl3F2, CHF3 oder
CBrF3foder fluorhaltige Verbindungen, wie SFß, BF3, SiF4
oder NF3. Jedoch sind alle diese Gase kostspielig und stellen
ein erhebliches Hindernis gegen die Verminderung der Kosten des Trockenätzverfahrens dar.
Damit das Trockenätzen bei der Halbleiterherstellung für die Praxis geeignet ist, kann es auf der anderen Seite erforderlich
sein, ein Material mit einer möglichst größeren Geschwindigkeit abzuätzen als ein Photolackmaterial bzw.
Photoresistmaterial, das als Ätzmaske dient, oder als ein die Oberfläche bedeckendes Material für das zu ätzende Material,
so daß sich ein hohes Maß der sogenannten "Selektivität" erreichen läßt. Ganz allgemein kann man sagen,
daß, wenn man eine Siliciumverbindung, wie einen Siliciumdioxidfilm,
unter Anwendung des oben erwähnten fluorkohlenstoffhaltigen Gases trocken ätzt,die Ätzgeschwindigkeit
des Siliciumdioxids entweder niedriger ist als die des
Photolacks bzw. Photoresists oder des Siliciums oder zumindest selbst dann, wenn diese Geschwindigkeit hoch ist,
nicht für die Praxis geeignet ist. Als Methode zur Verbesserung der Selektivität wurde daher vorgeschlagen, die oben
erwähnten Fluorkohlenstoffgase mit einem Wasserstoff enthaltenden
Gas, wie H2, H3O, NH3 oder C2H4 zu vermischen oder
ein hochmolekulares Material, wie einen Polyester oder ein Äthylentetrafluoridharz auf der inneren Wandung einer Reaktionskammer
oder auf einer Targetelektrode bzw. Auffangelektrode (beispielsweise einer Hochfrequenzelektrode
(r.f.-Elektrode)) anzuordnen. Bei dieser Methode reagieren
die durch Dissoziation unter Einwirkung der Entladung aus dem Fluorkohlenstoffharz freigesetzten Fluörradikäle, die
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als chemisch äußerst reaktives Ätzmittel wirken, mit den Wasserstoffatomen in dem Gasgemisch oder mit dem Targetmaterial und schließlich mit dem Fluorkohlenstoffe (CFn)
enthaltenden Gas, das von dem Targetmaterial freigesetzt wird, so daß ihre Reaktivität gegenüber Silicium oder dem
Photolack vermindert wird und wodurch es möglich wird, die Siliciumverbindung, wie das Siliciumdioxid, mit einem Teil
des CF2 oder CF3 selektiv zu ätzen.
Die oben beschriebene Methode wirft jedoch Probleme dadurch auf, daß unter den Plasmaentladungsbedingungen eine
Polymerisation erfolgt, wodurch Flecken auf der Oberfläche der Probe oder des Inneren des Reaktionsgefäßes erzeugt
werden, so daß die Ätzgeschwindigkeit der Siliciumverbindung vermindert oder der Photolack beeinträchtigt werden.
Insbesondere stellt die Beeinträchtigung des Photolacks ein wesentliches Problem dar, da hierdurch eine Deformation
erfolgt, wodurch die Genauigkeit des Musters verringert wird, was zur Folge hat, daß es nicht mehr möglich
wird, feine Muster mit Abmessungen von weniger als 5 μπι zu
ätzen, wobei sich das zusätzliche Problem ergibt, daß sich der Photolack nach dem Ätzen nur schwer entfernen läßt.
Bei den Plasmaätzeinrichtungen mit parallelen Platten erfolgt häufiger eine Beeinträchtigung des Photolacks bei
Anwendung niedriger Gasdrücke und höherer angewandter Energiedichten, wobei der Temperaturanstieg an der Oberfläche
der Probe als Ergebnis des Ionenbeschusses als einer der Gründe dafür angesehen wird. Demzufolge ist es möglich,
durch Steigerung des Gasdrucks und durch Verminderung der Energiedichte diese Nachteile zu überwinden. In diesem
besonderen Falle wird jedoch die Ätzgeschwindigkeit der Siliciumverbindung erniedrigt, so daß eine deutliche Verminderung
der Selektivität die Folge ist. Wenn man andererseits das Fluorkohlenstoff enthaltende Gas verwendet,
ohne ein Wasserstoffatome enthaltendes Gas einzumischen,
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ist die Selektivität um so höher/ je höher das Molekulargewicht des Gases ist, z. B. C3Fg oder C4Fg gegenüber
C3Fg oder C2Pg und noch mehr im Fall von CF, gegenüber
einem Wasserstoffatome enthaltenden Gas, wie CHF3. In diesem
besonderen Fall erfolgt im Gegensatz eine Beeinträchtigung des Photolacks, wobei die Ätzgeschwindigkeit der
Siliciumverblndung verringert wird. Wenn die Selektivität bei einer praktisch anwendbaren Ätzgeschwindigkeit in
dieser Weise verbessert werden soll, ergibt sich der bemerkenswerte Nachteil, daß eine Beeinträchtigung des Photolacks
erfolgt.
Zur Verhinderung der Beeinträchtigung oder Beschädigung des Photolacks wurde zunächst ein Verfahren vorgeschlagen,
gemäß dem der thermische Kontakt zwischen der wassergekühlten Targetelektrode und der Probe verbessert wird. Diese
Methode ist insofern wirksam, als die Beschädigung des Photolacks mehr oder weniger verringert wird, kann jedoch
das Problem prinzipiell nicht lösen. Es bestehen immer noch praktische Probleme im Hinblick auf die Durchführbarkeit,
die Reproduzierbarkeit und die Verunreinigung der Ätzvorrichtung.
Der derzeitige Stand der Technik ist damit so, daß kein Ätzverfahren zur Verfügung steht, bei dem eine Fluorverbindung
oder daraus gebildetes Gas, das mit einem anderen Gas vermischt ist, verwendet wird, das sowohl eine für
die Praxis ausreichende Selektivität (d. h. daß das Verhältnis der Ätzgeschwindigkeit des zu ätzenden Materials
gegenüber einem anderen Material mehr als 10 beträgt) und Ätzgeschwindigkeiten ermöglicht, ohne daß sich eine Beeinträchtigung
oder Schädigung des Photolacks bzw. Photoresists ergibt.
Andererseits sind die speziellen Fluorkohlenstoffgase, die
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eine relativ gute Selektivität besitzen, wie C3F6, C3F8,
C4Fg oder CHF-, schwierig zu erhalten und mehr als 10-mal
so teuer als die nachstehend beschriebenen erfindungsgemäß verwendeten Gase Helium oder Argon, so daß sich mit
diesen Materialien erhebliche Probleme ergeben, wenn sie für die Massenherstellung von Halbleitern eingesetzt werden
sollen.
Zu dem Stand der Technik darf auf die folgenden Druck-Schriften
verwiesen werden:
1) Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 49-2482,
2) offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 52-114444,
3) offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 52-131469. 15
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zum trockenen Ätzen eines Werkstücks anzugeben,
das durch die Anwendung eines billigen Gases kostengünstig durchgeführt werden kann, das die oben angesprochenen
Schwierigkeiten der herkömmlichen Verfahren überwindet, das ohne weiteres eine ausreichende Ätzgeschwindigkeit
und Selektivität ermöglicht und insbesondere beim Trockenätzen von Siliciumverbindungen, wie Siliciumdioxid
oder Phosphosilikatglas ausgezeichnete Ätzergebnisse ergibt, ohne daß ein Fluoratome enthaltendes Gas von außen
zugeführt werden muß.
Diese Aufgabe wird nun durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrens semäß Hauptanspruch gelöst. Die ünteransprüehe
betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen dieses
Erfindungsgegenstandes.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bearbeitung der Oberfläche
eines Werkstücks durch Trockenätzen unter Anwendung eines Glimmentladungsplasmas ist nun dadurch gekennzeich-
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3118§39
net, daß man
(1) von außen ein inaktives Gas, welches selbst unter den Bedingungen
der Plasmaentladung gegenüber dem Werkstück inaktiv ist, in eine' Reaktionskammer einführt und
(2) die Plasmaentladung in der Reaktionskammer in der Weise bewirkt, daß aus einem in der Reaktionskammer angeordneten
Material ein unter den Bedingungen der Plasmaentladung gegenüber dem Werkstück reaktives Gas freigesetzt
wird.
10
10
Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen
zeigen:
Fig. 1 eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit der Xtzgeschwindigkeit, des Phosphosilikatglases,
eines Photolacks und Silicium in Abhängigkeit von dem Gasdruck gemäß einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht, und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Plasmaätzvorrichtung, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,
angewandt werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Trockenätzverfahren wird die
Oberfläche eines Werkstücks durch die Ionen oder Radikale bearbeitet oder geätzt, die in der Atmosphäre des in
der Stufe (2) des erfindungsgemäßen Verfahrens freigesetzten reaktiven Gases unter der Einwirkung des Plasmas gebildet
werden. Genauer wird bei dem erfindungsgemäßen Trockenätzverfahren das Werkstück nicht durch das Plasma
des Gases, das von außen eingeführt worden ist, geätzt, sondern durch das Plasma des Gases, das aus einem Material
freigesetzt worden ist, t das in der Reaktionskammer
angeordnet ist, und zwar durch die Reaktion dieses Materials mit dem Plasma des Gases, das von außen zugeführt
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worden ist.
Demzufolge kann das von außen in die Reaktionskanuner eingeführte
Gas ein inaktives Gas sein, das unter den Bedingungen der Plasmaentladung gegenüber dem Werkstück inaktiv
ist, wie Helium, Argon, Stickstoff oder Sauerstoff. Die Auswahl des inaktiven Gases hängt von der Art des zu bearbeitenden
Werkstücks ab. Wenn das Werkstück aus Siliciumdioxid oder Phosphosilikatglas (Phosphatglas) besteht,
kann man als inaktives Gas mindestens ein Gas aus der Helium, Argon und Stickstoff (N2) umfassenden Gruppe verwenden,
wobei man ein hochmolekulares, Fluoratome enthaltendes Harz in der Reaktionskammer anordnet. Im Hinblick auf
die Ä'tzgeschwindigkeit und die Selektivität ist Helium am
besten, Argon besser und Stickstoff am schlechtesten von diesen drei Gasen geeignet. Wenn das Werkstück andererseits
aus Si, Mo, W, Cr, TiW oder Si3N4 besteht, kann man
als inaktives Gas entweder Sauerstoff (O2) oder ein Sauerstoff
enthaltendes Gas (beispielsweise eine Mischung aus Sauerstoff und Helium, Argon oder Stickstoff) verwenden,
wobei man als Material in der Reaktionskammer ein Fluoratome enthaltendes hochmolekulares Harz anordnet, ähnlich
wie in dem ersterwähnten Fall. Selbst wenn man lediglich ein solches billiges inaktives Gas in die Reaktionskammer
einführt, kann man den Ätzvorgang in ähnlich wirksamer Weise durchführen, wie unter Anwendung eines Fluoratome
enthaltenden Gases, wie es bei dem herkömmlichen Verfahren angewandt wird. Bei der Bearbeitung von Siliciumdioxid,
Phosphosilikatglas oder dergleichen ergibt sich erfindungsgemäß eine bemerkenswerte Verbesserung der oben angesprochenen
Selektivität. Beispiele für in der Reaktionskammer anzuordnende und Fluoratome enthaltende hochmolekulare
Harze sind Polytetrafluoräthylen, Polymonochlortrifluoräthylen, Tetrafluoräthylen-Hexafluorpropylen-Copolymere,
Polyvinylidenfluorid, Polyvinylfluorid und dergleichen.
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Wenngleich es genügt, lediglich eines dieser Materialien in der Reaktionskammer anzuordnen, kann man zwei oder mehrere
dieser Materialien gleichzeitig verwenden. Wenn man ein solches Fluoratome enthaltendes hochmolekulares Harz
in der Reaktionskammer anordnet, kann das Werkstück aus einem Material bestehen, das durch Einführen eines Pluoratome
enthaltenden Gases in die Reaktionskammer zur Erzeugung des Plasmas gemäß den herkömmlichen Verfahren bearbeitet
werden kann.
Wenngleich das in der Reaktionskammer anzuordnende Material vorzugsweise auf der Elektrode der Plasmaätzvorrichtung
angeordnet wird, kann man es an irgendeiner Stelle der Reaktionskammer anordnen, vorausgesetzt, daß es in der
Plasmaatmosphäre vorliegt. Weiterhin sind die Form und die Größe des Materials nicht besonders beschränkt und können
beliebig ausgewählt werden. Wenn das Material jedoch mit besonders großer oder kleiner Form oder komplizierter Form
verwendet werden soll, sollte der angestrebte Effekt zuvor durch ein Experiment untersucht werden. Wenn diese
Voruntersuchung zeigt, daß die Ergebnisse und der Effekt nicht zufriedenstellend sind, kann man unter Anwendung
normalerer Formen und Größen eine weitere Voruntersuchung
durchführen. Wenn sich dann der angestrebte Effekt einstellt, kann man das Trockenätzverfahren unter Anwendung
dieser Größenbedingungen durchführen. Auch in diesem Fall kann man eines oder mehrere Materialien in der Reaktionskammer anordnen.
Die Strömungsgeschwindigkeit des von außen in die Reaktionskammer einzuführenden inaktiven Gases kann innerhalb des
Bereichs liegen, der zur Aufrechterhaltung der Plasmaentladung geeignet ist. Wenn hierüber Unsicherheit bestehen
sollte, kann man den geeigneten Bereich durch eine einfaehe Voruntersuchung ermitteln.
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Wenn man andererseits das oben angesprochene inaktive Gas
zuführt, bevor die Plasmaentladung gezündet ist und sie anschließend unterbricht, bleibt die Entladung bestehen,
so daß das Werkstück geätzt wird. Dies scheint eine Folge der Tatsache zu sein, daß die Plasmaentladung durch das
reaktive Gas aufrechterhalten wird, das von dem in der Reaktionskammer angeordneten Material freigesetzt wird. Es
versteht sich natürlich, daß man die Zuführung des inaktiven Gases in das Innere der Reaktionskammer nicht unterbrechen
muß, sondern fortsetzen kann.
Der erlaubte Bereich des Gesamtdrucks des Gases in der Reaktionskammer
hängt von der Art des Werkstücks, der angewandten Energiedichte, der angewandten Frequenz der Plas-
Kratzvorrichtung und dergleichen ab, liegt jedoch im allgemeinen
im Bereich von 1,3 bis 1330 Pa und vorzugsweise im Bereich von 13 bis 133 Pa. Beim Trockenätzen von Siliciumdioxid
oder Phosphosilikatglae erstreckt sich der bevorzugte Gesamtdruck von 20 bis 50 Pa. Dies beruht darauf,
daß bei Anwendung des Gasdrucks innerhalb des angegebenen Bereichs sich die größte Ätzgeschwindigkeit und die beste
Selektivität für das .Phosphosilikatglas ergeben.
Der Bereich der bei der Plasmaentladung anzuwendenden Ener giedichte kann ähnlich sein wie bei dem Stand der Technik
und erstreckt sich im allgemeinen von etwa 0,2 bis 1 W/sma
Die angewandte Frequenz ist ebenfalls ähnlich wie jene» aie bei den herkömmlichen Verfahren angewandt wird.
Bei Untersuchungen^ bei denen das Polytetrafluoräthylen.-harz
auf der Targetelektrode (d. h. der Hochfrequenzelektrode) angeordnet ist und bei dem lediglich Argongas in
die Reaktionskammer zur Bildung der Plasmaentladung eingeführt wird, hat sich gezeigt, daß ein Material, wie Siliciximdioxid
oder Phosphosilikatglas mit ähnlicher Ge-
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schwindigkeit geätzt werden kann, wie in dem Fall, in dem
man ein Flurokohlenstoffgas (CF4) einführt. Es hat sich
weiterhin gezeigt, daß man die Siliciumverbindung in ähnlicher Weise ätzen kann, selbst wenn man die Entladung
durch die Einführung eines inerten Gases, wie Heliumgas, Stickstoffgas oder Sauerstoffgas, bewirkt.
In diesem Fall hat sich gezeigt, daß die Selektivität für Silicium gegenüber dem Fall der Verwendung eines Fluorkohlenstoffgases
wesentlich verbessert werden kann und daß man die Selektivität für den Photolack stark durch die Verwendung
von Helium verbessern kann. In der nachstehenden Tabelle I sind die Ätzgeschwindigkeiten und deren Verhältnisse
(d. h. die Selektivitäten) beim Trockenätzen der aufgeführten Materialien für den Fall angegeben, daß gasförmiges
C3F3 bzw. Heliumgas verwendet werden, während
die übrigen Bedingungen gleich gehalten wurden. Dabei wurde der Gasdruck zuvor auf 13 Pa eingestellt. Das Polytetrafluoräthylen
wurde in die Reaktionskammer eingebracht.
Die Ätzgeschwindigkeiten des Phosphosilikatglases (PSG) unterscheiden sich wenig im Fall der Verwendung von C3Fg
und des Heliumgases, während die Ätzgeschwindigkeiten für Silicium und den Photolack geringer sind als die unter
Verwendung von Heliumgas erzielten. Als Ergebnis davon betragen die Verhältnisse der Ätzgeschwindigkeiten von Phosphosilikatglas
und Silicium und zwischen Phosphosilikatglas und dem Photolack 2,8 bzw.1,8 für C3Fg und für Heliumgas
10 : 3 bzw. 4:3. Die beigefügte Fig. 1 verdeutlicht die Abhängigkeit der Ätzgeschwindigkeiten von dem
Gasdruck bei der Verwendung von Heliumgas. Die Ätzgeschwindigkeit des Phosphosilikatglases, die mit der Kurve
1 dargestellt ist, erreicht ihr Maximum bei etwa 30 Pa, während die Ätzgeschwindigkeiten für den Photolack und Silicium,
die durch die Kurven/2 bzw. 3 wiedergegeben sind,
die Neigung besitzen, mit höherem Gasdruck abzunehmen. Wenn
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man daher den Gasdruck innerhalb eines Bereichs von 20 bis 50 Pa auswählt, kann man das Phosphosilikatglas mit
einer Geschwindigkeit von 12 : 16 bzw. 6 : 8 gegenüber dem Silicium und dem Photolack ätzen. Da bei der herkömmlichen
Anwendung des einen Fluorkohlenstoff enthaltenden Gases die Ätzgeschwindigkeit des Siliciumdioxids oder des
Phosphosilikatglases mit der Steigerung des Gasdrucks deutlich abfällt, ist es nicht möglich, eine Selektivität von
10 oder mehr für Silicium und den Photolack zu erreichen, ohne daß sich eine Schädigung des Photolacks ergibt. Wenn
man jedoch erfindungsgemäß Helium oder dergleichen verwendet, kann man die Siliciumverbindung unter Anwendung eines
relativ hohen Drucks und einer relativ niedrigen Energiedichte, wie sie oben angegeben sind, ätzen, ohne daß eine
Schädigung oder Beeinträchtigung des Photolacks erfolgt.
Ätzgeschwindigkeit | SiO2 | Si3N4 Si | (nm/min) | Ätzgeschwindigkeitsverhältnis | PSG/Photolack | |
Gas | PSG* | 45 40 |
51 21 30 6 |
Photo- läck |
PSG/Si | 1,8 4,3 |
C3F He |
8 56 60 |
30 14 |
2,8 10 |
*PSG * Phosphosilikatglas
Wie oben angegeben ist, kann man mit Hilfe des erfindungsgentäßen
Verfahrene wesentlich bessere Ätzeigenschaften als bei der Einführung eines Fluor enthaltenden Gases dadurch erreichen,
daß man ein Gas, das kein Fluor enthält, von außen in
die Reaktionskammer einführt, so daß das Gas über das gebildete Gasplasma aus einem auf der Targetelektrode angeordneten
Material ein reaktives Gas freisetzt, das in selektiver Weise mit einer Siliciumverbindung reagiert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Anwendung einer bestimmten Ätzvorrichtung beschränkt, die lediglich
dazu geeignet sein muß, unter Anwendung eines Plasmas den Ätzvorgang zu gestatten; dennoch ist ea erfindungsgemäß
bevorzugt, eine Plasmaätzvorrichtung mit parallelen Dipolplatten zu verwenden, wie sie in der Halbleiterindustrie
angewandt werden.
Wie bereits erwähnt, besteht ein Merkmal des erfindungsgemäßen
Verfahrens darin, eine Xtzgeschwindigkeit zu erreichen,
die gleich ist oder größer als die, welche man erzielt, wenn man ein reaktives Gas von außen zuführt, unter
bemerkenswerter Verbesserung der Ätzselektivität gegenüber dem Fall der Zuführung eines reaktiven Gases, wobei bei
diesem Verfahren von außen lediglich ein Gas in die Reaktionskammer eingeführt wird, das selbst unter den Bedingungen
der Plasmaentladung gegenüber dem Werkstück inaktiv ist. Genauer wird nach der sogenannten "reaktiven Sputter-Ätzmethode"
des Standes der Technik die Reaktioskammer mit einem Gas versorgt, das Atome enthält, die unter den Bedingungen
der Plasmaentladung mit dem.zu ätzenden Material reagieren, während bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
noch ein reaktiver Sputter-Ätzvorgang durchgeführt werden kann, indem man ein Gas zuführt, das mit dem zu ätzenden
Material nicht reagiert, wodurch sich das erfinäungsgemäße
Verfahren ganz erheblich von dem Stand der Technik unterscheidet. Mit.anderen Worten umfaßt das erfindungsgemäße
Verfahren eine Ätzmethode, das die reaktiven und nichtreaktiven Sputter-Ätzverfahren des Standes der Technik in
besonderer Weise kombiniert.
Da.s erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur dadurch vorteilhaft,
daß eine bemerkenswert hohe Xtzselektivität erreicht werden kann, ohne daß ,eine Beeinträchtigung oder
Schädigung des Photolacks erfolgt, und daß der Preis des
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zu verwendenden Gases niedrig ist, sondern auch im Hinblick
auf das verwendete System dadurch, daß eine Schädigung der Rotationsvakuumpumpen vermieden wird, was Probleme
bei Trockenätzverfahren, bei denen ein Fluor oder Chlor enthaltendes Gas verwendet wird, mit sich bringt, und daß
eine Verunreinigung der Oberfläche der Probe oder der Ätseinrichtung
durch das Polymere oder dergleichen vermindert wird. Weiterhin wird die überwachung des Verfahrensablaufs
und das Ende des Ätzprozesses durch die Anwendung der Intensität des von dem Plasma emittierten Lichts vereinfacht
gegenüber dem Fall der Verwendung eines fluorkohlenstoffhaltigen
Gases. Somit zeichnet sich das erfindungsgeroäße Verfahren durch für die Praxis vorteilhafte Eigenschaften
gegenüber den herkömmlichen Verfahren, bei denen ein fluorkohlenstoffhaltiges
Gas verwendet wird, aus.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in der Weise durchgeführt
werden, daß man während des Ätzvorgangs kein Gas von außen zuführt. Wenn man nämlich die Zuführung des Gases
von außen unterbricht, nachdem man das Gas nach dem Evakuieren der Reaktionskammer in die Reaktionskammer eingeführt
hat und dann eine hochfrequente Energie (Radiofrequenz) zur Zündung der Entladung (unter ständigem Evakuieren) angelegt hat, kann man den Ätzprozeß in der Weise durchfüh-
ren, daß man die Entladung lediglich mit Hilfe der Gasbestandteile aufrechterhält, die aus dem Polytetrafluoräthy=·
Isnharz freigesetzt werden. Die dabei erzielten Ätzergebnisse
unterscheiden »ich wenig von den oben angesprochenen.
Die folgenden Beispielen dienen der weiteren Erläuterung
der Erfindung.
,Beispiel 1
Man ordnet eine Polytetraflnoräthylenscheibe 13 mit einem
Man ordnet eine Polytetraflnoräthylenscheibe 13 mit einem
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Durchmesser von 300 rom und einer Dicke von 4 mm nach der
in der Fig. 2 dargestellten Weise auf der Hochfrequenzelektrode einer Plasmaätzeinrichtung mit parallel angeordneten
Plattenelektroden an. Andererseits bereitet man auf SiIiciumplättchen
mit einem Durchmesser von 78 mm eine Phosphosilikatglasschicht (mit einer Phosphorkonzentration
von 4 Mol-%) mit einer Dicke von 600 nm, eine Siliciumdioxidschicht
mit einer Dicke von 600 nm und eine Siliciumnitridschicht mit einer Dicke von 500 nm und bereitet ein
Siliciumplättchen mit einem Durchmesser von 78 mm und versieht
sie auf ihren Oberflächen mit einem Photolackmuster (mit einer Dicke von etwa 1 μπι) (unter Verwendung eines
handelsüblichen Photolacks AZ1350J der Firma Shipley & Co., Ltd., USA). Die in dieser Weise bereiteten Plättchen werden
auf die oben angesprochene Polytetrafluoräthylenscheibe 13 aufgelegt. Dann führt man Heliumgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit
von 10 cm3/min über das Gaseinführungssystem 14 zu und stellt einen vorbestimmten Gasdruck
ein. Dann legt man mit Hilfe der Hochfrequenzenergiequelle 17 über eine Anpassurigsschaltung 16 während 8 Minuten eine
Hochfrequenzenergie mit einer Frequenz von 13,56 MHz und
einer Energiedichte von 0,4 W/cm2 an die Reaktionskammer
an. Anschließend entnimmt man die Probe und entfernt den Photolack. Dann bestimmt man die Ätzgeschwindigkeiten der
betreffenden Materialien durch Bestimmung der Stufe zwischen dem Bereich, auf dem der Photolack vorgelegen hat
und dem geätzten.Bereich unter Verwendung einer Stufen-..
höhenmeßeinrichtung (Talystep der Firma Taylor-Hobson Ltd., Großbritannien),.· Genauer bestimmt man die .Ätzgeschwindig^
keit des Photolacks durch teilweises Abdecken des Photo- — lacks mit einer dünnen Schicht, die nicht geätzt wird,und
Messen der Stufe zwischen diesem Bereich und dem geätzten Bereich. Die gemessenen Ergebnisse sind in der Tabelle I
angegeben und in der Fig. 1 dargestellt. Die in der Tabelle
I angegebenen Ergebnisse wurden unter Anwendung eines
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Gasdrucks von 13 Pa ermittelt. Zu Vergleichszwecken sind in der Tabelle I die Ergebnisse angeführt, die man erzielt,
wenn man gasförmiges CgFg als Pluorkohlenstoffgas zuführt
und die Ätzgeschwindigkeiten der betreffenden Materialien in gleicher Weise mißt. Die in der Fig. 2 dargestellten
Bezugsziffern 11, 12, 15 bzw. 19 und 20 stehen für eine Erdungselektrode, eine Hochfrequenzelektrode, ein Vakuumsystem
bzw. Ventile.
Wenn man Heliumgas verwendet, kann man das Phosphosilikatglas
und das Siliciumdioxid mit ähnlichen Geschwindigkeiten ätzen wie im Fall der Verwendung von CgFg, das bei dem
herkömmlichen Verfahren verwendet wird, wobei die Ätzgeschwindigkeiten von Silicium und dem Photolack um die Hälfte
oder ein Drittel geringer sind als im Fall der Verwendung von CgFg. Daraus ist erkennbar, daß erfindungsgemäß
die Selektivität um den Faktor 2 bis 3 größer ist als bei dem herkömmlichen Verfahren. Andererseits ergibt sich bei
Steigerung des Gasdrucks eine Verbesserung der Selektivitat.
Wie aus der Fig. 1 zu erkennen ist, kann man beispielsweise unter Anwendung eines Drucks von 20 Pa das Phosphosilikatglas
mit einer Geschwindigkeit ätzen, die um den Faktor 16 bzw. 8 größer ist als die Ätzgeschwindigkeit
von Silicium bzw. des Photolacks.
Man wiederholt die Maßnahmen des Beispiels 1, führt jedoch
gasförmiges Argon bzw. Stickstoff anstelle von Helium zur Zündung "d.es Plasmas ein. Der Gasdruck wird auf 20 Pa eingestellt
und die übrigen Bedingungen entsprechen den in Beispiel 1 angegebenen. In dieser Weise kann man mit Argongas
und Stickstoffgas ebenso wie im Fall von Heliumgas die
Siliciumverbindurig selektiv ätzen und das Phosphosilikatglas mit einer Geschwindigkeit ätzen, die um den Faktor 4
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bis 8 und um den Faktor etwa dreimal so groß ist wie die
Ätzgeschwindigkeit für Silicium bzw. für den Photolack. Somit ist die Selektivität bei Anwendung des in Beispiel
1 eingesetzten Heliums größer als die gemäß dem vorliegenden Beispiel unter Verwendung von Argon und Stickstoff
erzielte.
Man wiederholt die Maßnahmen des Beispiels 1 und führt anstelle von Heliumgas Sauerstoffgas (O3) ein und führt die
Entladung durch. Währenddem man die übrigen Bedingungen des Beispiels 1 aufrechterhält, stellt man den Gasdruck
auf 20 Pa ein. Die Ergebnisse zeigen, daß die Ätzgeschwindigkeit für Siliciumnitrid um etwa den Faktor 5 bzw. 7-mal
größer ist als für das Phosphosilikatglas bzw. Siliciumdioxid und daß die Ätzgeschwindigkeit des Siliciumdiokids
etwa um den Faktor 2,3 bzw. 3,5-mal so groß ist wie die Ätzgeschwindigkeit für das Phosphosilikatglas bzw. das Siliciumdioxid.
Durch die Anwendung des unter Verwendung von Sauerstoffgas gebildeten Entladungsplasmas kann man polykristallines Silicium,
das über das Siliciumdioxid auf dem Siliciumplättchen
mit einem Durchmesser von 75 mm durch ein chemisches Aufdampfverfahren gebildet worden ist, und eine Titan-Wolfram-Legierung
bzw. Molybdän, die durch Aufsputtern auf ein entsprechendes Siliciumplättchen gebildet worden
sind, mit Ätzgeschwindigkeiten von 73 nm/min, 65 nm/min bzw. 93 nm/min ätzen.
Man ätzt zwei Plättchen, die -durch Aufdampfen einer Phosphosilikatglasschicht
(mit einer Phosphorkonzentration
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von 4 Mol-%) mit einer Dicke von 600 nm auf einem Siliciumplättchen
mit einem Durchmesser von 78 mm und durch Ausbilden eines Photolackmusters (Photolack AZ1350J) mit einer
Dicke von 1000 nm gebildet worden sind unter Anwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrensweise. Dabei stellt
man den Gasdruck auf 33 Pa ein und legt die Hochfrequenzenergie während 12 Minuten an. Durch Messen der Ätztiefen
unter Anwendung eines Stufenhöhenmessers und aufgrund der Beobachtungen unter Anwendung eines optischen Mikrometers
nach der Durchführung des XtζVorgangs ist erkennbar, daß
das Phosphosilikatglas auf beiden Plättchen vollständig abgeätzt worden ist. In diesem Fall läßt sich keine Beschädigung
oder Beeinträchtigung des Photolacks feststellen, der noch mit einer Dicke von etwa 880 nm vorhanden ist,
so daß die Dickenverringerung der Photolackschicht als Folge des Ätzvorgangs lediglich 120 nm beträgt. Andererseits
wird die Siliciumoberfläche nur wenig angeätzt (indem die Ätztiefe, falls sie überhaupt feststellbar ist,
etwa 50 nm im Höchstfall beträgt). Weiterhin läßt sich mit einem Rasterelektronenmikroskop auf dem Plättchen das sogenannte
"Hinterschneidungsphänomen" beobachten, wobei ein Teil des Materials unterhalb der Photolackschicht geätzt
wird, währenddem Muster mit Breiten und Abständen von im Minimum 1 μπι gebildet werden entsprechend dem Muster der
Photolackmaske.
Man bringt ein Polytetrafluoräthylenharz nicht nur auf die Hochfrequenzelektrode 12 auf, wie es in Beispiel 1 geschehen
ist, sondern auch auf die Erdungselektrode 11 (d.h. die Gegenelektrode). Hierbei zeigt sich, daß die Siliciumverbindung
in ähnlicher Weise geätzt werden kannp wie in Beispiel 1, wobei sich die Selektivität nur wenig
-/on der in Beispiel 1 erreichten unterscheidet. Demzufol-
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ge kann man das PolytetrafluorMthylenharz entweder auf
der Hochfrequenzelektrode, auf die die Probe aufgelegt
wird, oder auf die Erdungselektrode auf der gegenüberliegenden Seite anordnen, so daß sich hierdurch keine besonderen Beschränkungen ergeben. Auch wenn man das Polytetrafluoräthylenharz an irgendeiner anderen Stelle statt auf
der Elektrode in der Reaktionskammer anordnet, kann man
ähnliche Effekte erzielen, wenn das Gas durch die Plasmaentladung freigesetzt wird. Das Polytetrafluoräthylenharζ muß auch nicht auf die gesamte Elektrode aufgebracht werden, da man auch ausreichende Effekte dann erzielt, wenn
das Harz lediglich den das Probenplättchen umgebenden Bereich oder lediglich einen Teil der Elektrode bedeckt. Somit ergibt sich bezüglich der Form oder der Anordnung des Harzes keine Einschränkung.
der Hochfrequenzelektrode, auf die die Probe aufgelegt
wird, oder auf die Erdungselektrode auf der gegenüberliegenden Seite anordnen, so daß sich hierdurch keine besonderen Beschränkungen ergeben. Auch wenn man das Polytetrafluoräthylenharz an irgendeiner anderen Stelle statt auf
der Elektrode in der Reaktionskammer anordnet, kann man
ähnliche Effekte erzielen, wenn das Gas durch die Plasmaentladung freigesetzt wird. Das Polytetrafluoräthylenharζ muß auch nicht auf die gesamte Elektrode aufgebracht werden, da man auch ausreichende Effekte dann erzielt, wenn
das Harz lediglich den das Probenplättchen umgebenden Bereich oder lediglich einen Teil der Elektrode bedeckt. Somit ergibt sich bezüglich der Form oder der Anordnung des Harzes keine Einschränkung.
Man wiederholt die Maßnahmen des Beispiels 1, verwendet jedoch
anstelle des Polytetrafluoräthylens Polymonochlortrifluoräthylen.
In dieser Weise kann die Siliciumverbindung mit höherer Geschwindigkeit geätzt werden als Silicium und
der Photolack. Die erzielte Selektivität ist etwas geringer als im Fall der Anwendung von Polytetrafluoräthylen,
ist jedoch der herkömmlichen Verfahrensweise überlegen.
Ähnliche Effekte erzielt man auch dann, wenn man die oben angegebenen Materialien durch ein Tetrafluoräthylen-Hexafluorpropylen-Copolymer, Polyvinylidenfluorid oder Polyvinylfluorid, d. h. ein fluorhaltiges .Harz, ersetzt.
30
ist jedoch der herkömmlichen Verfahrensweise überlegen.
Ähnliche Effekte erzielt man auch dann, wenn man die oben angegebenen Materialien durch ein Tetrafluoräthylen-Hexafluorpropylen-Copolymer, Polyvinylidenfluorid oder Polyvinylfluorid, d. h. ein fluorhaltiges .Harz, ersetzt.
30
Beisplel7
Man ätzt das Phosphosilikatglas nach der Verfahrensweise
von Beispiel 1, mit dem Unterschied, daß man nach der Zuführung des Hellunigases und dem Anlegen der Hochfrequenz-
von Beispiel 1, mit dem Unterschied, daß man nach der Zuführung des Hellunigases und dem Anlegen der Hochfrequenz-
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energie und dem Zünden der Entladung das Ventil 19 schließt, um die Heliumgaszufuhr zu unterbrechen. In dieser Weise arzielt
man Ergebnisse, die im wesentlichen denen von Beispiel 1 ähnlich sind.
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-If-
L e "θ r s e i t e
Claims (13)
- PatentansprücheVerfahren zur Bearbeitung der Oberfläche eines Werkstücks durch Trockenätzen unter Anwendung eines Glimmentladungsplasmas, dadurch gekennzeichnet, daß man(1) von außen ein selbst unter Plasmaentladungsbedingungen gegenüber dem Werkstück inaktives Gas in eineReaktionskaxniaer einführt und(2) die Plasmaentladung in der Reaktionskammer in der Weise bewirkt/ daß aus einem in der Reaktionskammer angeordneten Material ein unter den Plasmaentladungsbedingungen gegenüber dem Werkstück reaktives Gas freigesetzt wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man als Material ein Fluoratome aufweisendes hochmolekulares Harz in der Reaktionskammer anordnet.
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß man als hochmolekulares Harz mindestens einen Vertreter der Gruppe verwendet, die Polytetrafluoräthylenharze, Polymonochlortrifluoräthylenharze, Tetrafluoräthylenhexafluorpropylen-Copolymerharze, Polyvinylidenfluoridharze und Polyvinylfluoridharze umfaßt.
- 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3/ dadurch gekennzeichnet, daß man als inaktives Gas mindestens einen Vertreter der Helium, Argon, Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2) umfassenden Gruppe verwendet.130067/0821
- 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß man als inaktives Gas Heliumgas verwendet.
- 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß man als inaktives Gas Sauerstoffgas oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas verwendet.
- 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß man ein Werkstück aus SiO2 oder einem Phosphosilikatglas bearbeitet.
- 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e -kennzeichnet, daß man ein Werkstück aus Si, Mo, W, Cr, TiW und/oder Si3N4 bearbeitet.
- 9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß man in der Stufe (2) das inaktive Gas ständig in das Innere der Reaktionskammer einführt.
- 10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß man in der Stufe (2) das inaktive Gas nur vor der Zündung der Plasmaentladung in die Reaktionskammer einführt.
- 11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß man einen Gasdruck in der Reaktionskammer von 1,3 bis 1330 Pa anwendet.
- 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß man bei einem Gasdruck von 13 bis 133 Pa arbeitet.130067/0821
- 13. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet/ daß man einen Gasdruck in der Reaktionskammer von 20 bis 50 Pa anwendet.130067/0821
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