DE3318566A1 - Plasma-aetzverfahren - Google Patents

Plasma-aetzverfahren

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DE3318566A1
DE3318566A1 DE19833318566 DE3318566A DE3318566A1 DE 3318566 A1 DE3318566 A1 DE 3318566A1 DE 19833318566 DE19833318566 DE 19833318566 DE 3318566 A DE3318566 A DE 3318566A DE 3318566 A1 DE3318566 A1 DE 3318566A1
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Ken Tokyo Ninomiya
Shigeru Kokubunji Nishimatsu
Sadayuki Ohme Okudaira
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Description

  • PLASMA-ÄT ZVERFAHREN
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Plasma-Ätzverfahren, insbesondere auf ein Verfahren zur Steuerung der Querschnittsform eines geätzten Teiles beim Plasma-#tzen.
  • Neuerdings werden zur Ausbildung der Muster auf Halbleitersubstraten, von Isolierfilmen, leitfähigen Filmen, Kontaktlöchern usw. bei der Herstellung verschiedener Arten von Halbleiter-Bauteilen statt der herkömmlichen Naßverfahren sogenannte Trockenverfahren angewendet.
  • Unter den Trockenverfahren ist das Plasma-Ätzen das am weitesten verbreitete. Nach diesem Verfahren wird ein Halogenverbindungen, beispielsweise SF enthaltendes Gas mit einem vorbestimmten Druck in eine Ätzkammer eingeleitet und es wird in der Ätzkammer Plasma erzeugt. Die aktiven Teilchen im Plasma läßt man auf eine Probe oder ein Werkstück auftreffen, wodurch die Oberfläche der Probe geätzt wird.
  • Zum Plasma-Ätzen werden verschiedene Vorrichtungen verwendet: Geräte mit parallelen Platten, bei denen zwei ebene Elektroden einander gegenüberliegend in einer Reaktionskammer angeordnet sind; einen Kolben aufweisende Geräte, bei denen halbkreisförmige Elektroden außerhalb der Reaktionskammer angeordnet sind; und Mikrowellen-Plasma-Ätzgeräte, bei denen zur Plasmaerzeugung ein elektromagnetisches Mikrowellenfeld verwendet wird.
  • In der japanischen Patentanmeldung Nr. Sho. 53-131622 (JP-OS Nr. Sho. 55-59723) ist ein Mikrowellen-Plasma- Ätzverfahren beschrieben, bei dem SF6-Gas als Ätzgas verwendet wird. Nach diesem Verfahren können Silizium, Siliziumverbindungen sowie manche Metallarten wie W und Mo mit hoher Geschwindigkeit geätzt werden. Obwohl jedoch bei Anwendung dieses Verfahrens die Ätzgeschwindigkeit hoch ist, werden auf der Rückseite einer Maske 1 befindliche Teile des Werkstücks, das aus einem Halbleitersubstrat 2 besteht, ebenfalls geätzt, wie in Fig. 1A der beiliegenden Zeichnung gezeigt (diese Erscheinung wird im folgenden als "Unterschneidung" bezeichnet). In der JP-Patentanmeldung Nr. Sho. 55-124521 (JP-OS Nr. Sho.
  • 57-51265) ist ein Mikrowellen-Plasmaätzverfahren beschrieben, bei dem dem SF6-Gas als Ätzgas H2 zugefügt wird, wodurch die oben beschriebene Erscheinung der "Unterschneidung" verhindert werden kann. Für andere Zwecke können auch andere Gase, beispielsweise 021 hinzugefügt werden.
  • Bei Anwendung dieses Verfahrens werden vertikale Ätzungen (anisotropes Ätzen) möglich, wie in Fig. 1B gezeigt.
  • Wird jedoch SF6 mit einem Zusatz von H2 als Ätzgas verwendet, erhält der Querschnitt eines geätzten Bereiches eine umgekehrt zugespitzte Form (umgekehrtes Trapezoid) oder eine von der Ätzmaske sich nach unten erweiternde Form, wie in Fig. 1C gezeigt. Sowohl die Ätzung mit umgekehrtem Trapezoid als auch die Ätzung mit Unterschneidung (Fig. 1A) sind für eine genaue Musterzeichnung des Halbleitersubstrats 2 ungünstig. Es sind daher einige Gegenmaßnahmen erwünscht.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile und Schwierigkeiten des Standes der Technik zu vermeiden, ein Ätzen mit umgekehrter Einschnürung oder Zuspitzung zu verhindern und ein Plasma-Ätzverfahren anzugeben, mit dem sich ein Werkstück mit einer genauen Musterzeichnung versehen läßt.
  • Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Plasma-Ätzverfahren bereitgestellt, bei dem ein Ätzgas eingeleitet, ein Plasma gebildet und aktive Teilchen im Plasma auf ein Werkstück gerichtet werden und damit die Oberfläche des Werkstücks geätzt wird. Das Verfahren zeichnet sich durch die Verwendung eines Ätzgases aus, das ein fluorhaltiges Gas und ein stickstoffenthaltendes Gas mit 5-13E Stickstoff auf der Basis des Partialdruckverhältnisses des Stickstoffs zum gesamten Ätzgas enthält.
  • Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, ein Ätzen mit umgekehrter Abschrägung zu verhindern und die Querschnittsform eines geätzten Bereiches zwischen dem vertikalen Querschnitt und einem leicht nach vorn zugespitzten Querschnitt zu steuern.
  • Derartige Querschnitte ergeben eine genaue Nusterzeichnung der Halbleitersubstrate.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1A bis 1C Querschnitte geätzter Bereiche zur Erläuterung der verschiedenen Ätzformen, Fig. 2 schematisch den Grundaufbau eines zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Mikrowellen-Plasma-Ätzgeräts, Fig. 3 einen Querschnitt zur Erläuterung der Definition des Abschrägungswinkels, Fig. 4 im Diagramm die Abhängigkeit des Abschrägungswinkels vom N2-Gas-Partialdruck, Fig. 5A und 5B nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Ätz-Querschnitte, Fig. 6 im Diagramm die Abhängigkeit der Ätzgeschwindigkeit vom Partialdruck des N2-Gases, Fig. 7 im Diagramm die Abhängigkeit des Abschrägungswinkels vom Partialdruck des NF3-Gases und Fig. 8 im Diagramm die Abhängigkeit der Ätzgeschwindigkeit vom Partialdruck des NF3-Gases.
  • Fig. 2 zeigt den Grundaufbau eines Mikrowellen-Plasma-Ätzgeräts zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plasma-Ätzverfahrens. Die Vorrichtung enthält einen Mikrowellengenerator 3 zur Erzeugung einer Mikrowelle, der z.B. aus einem mit einer Frequenz von 2,45 GHz schwingenden Magnetron mit einer Ausgangslei stung von 600 W besteht. Die vom Mikrowellengenerator 3 erzeugte Mikrowelle breitet sich in einem rechteckigen Wellenleiter 4 aus. Ein Entladungsrohr 6 besteht aus einem Isolator, beispielsweise einem feuersicheren Glas, in dem ein Vakuum aufrechterhalten werden kann. Eine Proben- oder Ätzkammer 13 stellt einen evakuierbaren Raum dar, in dem das Trocken-Ätzverfahren ausgeführt werden kann.
  • Der Begriff "Vakuumkammer" bq#.zejchfl# einen Bereich, der das Entladungsrohr 6 und die Proben- oder Atzkammer umfaßt. Der Entladungsraum 5 bedeutet einen Bereich, in dem hauptsächlich die Entladung erfolgt, nämlich den vom Entladungsrohr 6 und von der Ätzkammer 13 gebildeten Vakuumbereich. Der Entladungsraum 5 wird daher durch das Entladungrohr 6 und die Proben oder Werkstücke 12 gebildet. Die Proben 12 sind auf einem Probenhalter 11 auf einem drehbaren Tisch 10 angeordnet. Ein Vakuumsystem 14 evakuiert den durch das Entladungsrohr 6 und die Probenkammer 13 gebildeten Vakuum-Raum und kann diesen auf einem gewünschten Druck halten. Der äußere Umfang des Wellenleiters 4 ist von einer Magnetspule 7 umschlossen.
  • Unterhalb der Proben 12 befindet sich ein Permanentmagnet 8. Die Magnetspule 7 und der Permanentmagnet 8 bilden ein Spiegel-Magnetfeld und dienen zur Erzeugung eines homogenen Plasmas im Entladungsraum 5. An der Seitenwand des Entladungsrohrs 6 ist ein Gaseinlaß 15 vorgesehen.
  • Entladungsgase, beispielsweise SF6, befinden sich in Gasbehältern 16, 17 und 18. Das SF6-Gas wird in den Entladungsraum 5 durch Öffnen eines Hauptventils 9 eingelassen.
  • Die Gasbehälter 17 und 18 enthalten H2- bzw. N2-Gas. H2 und N2 werden in den Entladungsraum 5 durch Öffnen von Ventilen 20 bzw. 21 eingeleitet, nachdem sie mit SF6-Gas gemischt wurden. Das Entladungsgas wird im Entladungsraum 5 durch Zusammenwirken des von der Magnetspule 7 und dem Permanentmagneten 8 erzeugten Spiegel-Magnetfeldes und des durch den Wellenleiter 4 eingetretenen Mikrowellenfeldes ionisiert. Die reaktiven Ionen im Plasma bewegen sich stromab längs des Spiegel-Magnetfeldes und treffen auf die Probe 12 auf, so daß deren Oberfläche geätzt wird.
  • Das Ätzen erfolgt hauptsächlich durch Ionen. Die Ionen treffen senkrecht auf die Oberfläche der Probe 12 auf, die sich auf einem unbestimmten Potential (etwa -20 V) befindet, und zwar infolge des zwischen Plasma und Probe 12 gebildeten Ionenschirms.
  • Zur Erläuterung der Ätzform sei ein Abschrägungs- oder Neigungswinkel 9 definiert (Fig. 3). Der Winkel zwischen der horizontalen Oberfläche, in der die Maske 1 und das Halbleitersubstrat 2 einander berühren, und der Seitenwand eines geätzten Bereichs des Substrats 2 wird als Neigungswinkel G bezeichnet. Bei dieser Definition entspricht eine umgekehrte Abschrägung oder Neigung dem Fall, daß 8 900 übersteigt (Fig. 1C), während eine nach vorn gerichtete Abschrägung einem Winkel B entspricht, der kleiner oder gleich 90a ist.
  • Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit des Neigungswinkels a vom Partialdruck des N2-Gases für den Fall, daß unter Verwendung des beschriebenen Geräts ein Substrat 2 aus polykristallinem Silizium um eine Dicke von etwa 300 nm geätzt wird. Das Plasma wird von einem Ätzgas gebildet, das aus einem Gemisch von etwa 3 x 10## 4 Torr SF6 und etwa 4 x 10## Torr H2 mit einem Zusatz von N2 besteht. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, verändert sich die Ätzform mit allmählicher Erhöhung des Partialdruckes des N2-Gases von Null an von der umgekehrten Abschrägung (Fig. 1C) zur vertikalen Form (Fig. 1B) und weiter zur nach vorn gerichteten Abschrägung Genauer, bei einer Zugabe von N2 von mehr als 1,8 x Torr wird der Basisteil des geätzten Querschnittes gröBer als der der Maske 1. D.h., die Ätzform ändert sich von der vertikalen Form zur nach vorn geneigten Abschrägung.
  • Bei mit verschiedenen Gasdrucken SF6 durchgeführten Versuchen, nämlich zwischen etwa 2 x 10## 4 bis etwa 5 x 10## Torr, ergaben sich ähnliche Ergebnisse. In diesen Fällen wurde infolge der Zugabe H2, dessen Druck in Abhängigkeit von dem von SF6, nämlich etwa 2,7 x 10 5 bis etwa 6,7 x 10 10 -5 Torr,geändert wurde, kaum eine Unterschneidung gemäß Fig. 1A beobachtet. Die Messung des Neigungswinkels B erfolgte durch Beobachtung des Querschnittes durch ein elektronisches Abtastmikroskop. Die gemessenen Winkeldaten streuten in einem Fehlerbereich von etwa +10%. Das Diagramm zeigt die Aufzeichnung der Mittelwerte.
  • Fig. 5A und 5B zeigen die beschriebenen Formen mit nach vorn gerichteter Neigung. Fig. 5 zeigt die Form des Querschnittes, wenn das Substrat 2 in Form einer nach vorn gerichteten Abschrägung geätzt wird, Fig. 5B zeigt die Form des Querschnittes eines geätzten Films 2 @ aus polykristallinem Silizium auf einem Substrat, das das Gate eines LSI-MOS bilden kann. Im Falle der Fig. 5B ist eine Uberätzung von etwa 10 bis etwa 20% üblich. Die nach vorn gerichtete Neigung ist wünschenswert, um eine Breitenverminderung und/oder eine umgekehrte Neigung zu vermeiden.
  • Gemäß Fig. 6 ist es unvermeidlich, daß die effektive Ätzgeschwindigkeit des Siliziumsubstrats 2 mit steigendem N2-Gehalt abnimmt. Es wurden sechs Plättchen mit einem Durchmesser von etwa 7,5 cm in das Gerät der Fig. 2 eingelegt und der Drehtisch 10 mit einer Drehzahl von 4 Umdrehungen U/min gedreht. In Fig. 6 ist auf der Ordinate "effektive Ätzgeschwindigkeit" die so erhaltene mittlere Ätzgeschwindigkeit aufgetragen.
  • In der Praxis ist ein Neigungswinkel g von etwa 850 zweckmäßig. Ein Neigungswinkel von mehr als 900 (umgekehrte Neigung) ist für eine genaue Musterzeichnung unerwünscht.
  • Mit einem Neigungswinkel von weniger als 800 wird die zusätzliche Breite am Basisbereich des hinterätzten Bereiches zu groß; außerdem sinkt gemäß Fig. 6 die Ätzgeschwindigkeit. Dies ist für die praktische Anwendung ungünstig.
  • Der für eine genaue Musterzeichnung günstigste effektive N2-Partialdruck liegt im Falle der Fig. 6 zwischen etwa 1,7 x 10 5 und etwa 4,3 x 10 5 Torr. Dieser Wert ent--4 spricht 6 bis 148 des 5F6-Partialdruckes von 3 x 10 4 Torr oder einem Druckverhältnis N2/(SF6 + N2) von 5 bis 13%.
  • Da der H2-Gas-Druck klein ist und die Berechnung des N -2 2 Partialdruckes zum Gesamtdruck kaum beeinflußt, kann er bei der Berechnung des Partialdruckverhältnisses vernachlässigt werden.
  • Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß zur Steuerung der Form des Ätzquerschnittes zwischen vertikaler Anordnung der Ätzwände und nach vorn geneigter Form vorzugsweise SF6-Gas verwendet wird, das N2-Gas mit einem Par- tialdruck von etwa 5 bis etwa 13% enthält.
  • Es hat sich gezeigt, daß bei Zugabe von Ammoniak (NH 3 zum SF6 ähnliche Wirkungen erzielbar sind. Neigungs-Winkel zwischen 80 und 900 stellen sich ein, wenn der Partialdruck von NH3/(SF6 + NH3) etwa 10 bis etwa 27% beträgt.
  • Nach der Messung der optischen Spektra und dem Ergebnis des Titrierverfahrens (Ninomiya et. al., 42. Treffen der Japanischen Gesellschaft für angewandte Physik, 7P-H-13, S. 378, Herbst 1981) ändert sich die Menge der Fluorradikale kaum mit der Zugabe von N2. Die Verminderung der Ätzgeschwindigkeit ist daher nicht auf eine Verminderung der Menge der Fluorradikalen zurückführbar. Ein plausibler Mechanismus kann in folgendem bestehen: Das Stickstoffradikal reagiert mit dem Siliziumsubstrat 2 und unterdrückt die Ätzung oder verhindert die Querbewegung der Fluorradikalen auf der Probe. Die Ätzung erfolgt hauptsächlich infolge der Wirkung der Ionen, es ist jedoch anzunehmen, daß auch die Radikale ihren Beitrag leisten. Der letztere Effekt kann einen größeren Einfluß ausüben, da die Außenseite der Ätzmaske 1 zurückbleibt.
  • Im Plasma wandelt sich das N2-Gas zu N-Ionen und N-Radikalen um. Dies trifft auch für NH3 zu, obwohl hier ein geringer Unterschied mit der Ionisationsgeschwindigkeit usw. verbunden ist. Die Geschwindigkeit der Erzeugung von N-Ionen und N-Radikalen aus dem N2-Gas ist etwa doppelt so groß wie die bei NH3-Gas. Diese N-Ionen und -Radikale können zur Bildung der nach vorn gerichteten Neigung beitragen. Der Wert der für die Ausbildung einer nach vorn gerichteten Neigung notwendigen Partialdrucke von N2 und NH3 beträgt etwa 5 bis 13 bzw. 10 bis 27%.
  • D.h., die Zugabe von NH3 sollte so gesteuert werden, daß der Partialdruck, bezogen auf den Druck von N2, 5 bis 13% wird.
  • Fig. 7 zeigt die Abhängigkeit des Neigungswinkels 8 für den Fall, daß statt N2-Gas Stickstofftrifluorid (NF3) zugegeben wird. Der Ätzquerschnitt ändert sich wie zuvor mit steigendem NF3-Gehalt von nach hinten zu nach vorn gerichteter Neigung. Trotz der Zugabe von H2 tritt gelegentlich eine geringfügige Unterschneidung ein. Es ist anzunehmen, daß nicht nur N-Ionen und N-Radikale, sondern auch F-Ionen und F-Radikale aus NF3 erzeugt werden, wie dies bei 5F6 der Fall ist. Gemäß Fig. 8 nimmt die effektive Ätzgeschwindigkeit mit steigendem NF3-Gehalt ab.
  • Spektroskopische Messungen zeigen, daß aus NF3-Gas etwa doppelt so viele F-Radikale wie aus SF6-Gas erzeugt werden. Fig. 7 zeigt, daß das zur Erzielung eines Neigungswinkels o zwischen 800 und 900 günstigste Partialdruckverhältnis von NF3/(5F6 + NF3) etwa 13 bis etwa 42% beträgt.
  • Das rückgerechnete Verhältnis NF3/(5F6 + 3NF3) ergibt sich zu 12 bis 23%. Dies stimmt etwa mit dem Wert von 10 bis 27% für NH3 überein. Der Halbwert stimmt in etwa mit dem Wert von 5 bis 13% für den Fall von N2 überein.
  • D.h., die Zugabe von NF3 zu 5F6 sollte derart gesteuert werden, daß der berechnete N2-Partialdruck 5 bis 13% wird.
  • Das oben beschriebene Beispiel bezieht sich auf die Anwendung bei einem Substrat aus polykristallinem Silizium; ähnliche Ergebnisse ergeben sich jedoch auch bei Verwendung von einkristallinem Silizium. Das beschriebene Ätzverfahren ist ebenfalls anwendbar für die Ätzung von Si3N4, WSi2, MoSi2, W und Mo, sowie für Si.
  • In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde zur Verminderung der Anzahl an F-Radikalen H2-Gas zugefügt; ohne die Zufügung von H2-Gas ergeben sich gelegentlich Unterschneidungen. Es sollte daher zusammen mit N2 eine gewisse Henge H2 zugefügt werden. Im Falle von H enthaltendem NH3 ist dies nicht stets notwendig.
  • Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde als Hauptätzgas SF6 verwendet; im wesentlichen der gleiche Effekt ergibt sich bei Verwendung eines keinen Kohlenstoff enthaltenden Fluorgases als Hauptgas, z.B. SiF4 - und F2 Gas. Auch Gase wie XeF2, ClF3 sind anwendbar.
  • Die Bereitstellung eines Gasbehälters mit einem Gemisch aus SF, und einem Gas, das N mit einem Partialdruck, bezogen auf N2, von 5 bis 13% und einem Gemisch dieses Mischgases mit H2 ermöglicht eine genaue Musterzeichnung oder vertikale Ätzung. Im Prinzip ist die Bereitstellung eines Gasbehälters mit einem Gemisch des obigen Mischgases und H2 zweckmäßiger.
  • Wie beschrieben, gewährleistet die Zugabe des Gases, in dem Stickstoff enthalten ist, mit einem Partialdruck, bezogen auf N2, von 5 bis 13 %, eine Ätzung von Silizium mit einem Neigungswinkel von 800 bis 900 Die Breite des geätzten Substrats wird etwas größer als die der Maske.
  • Die Tatsache, daß die Breite des geätzten Substrats im Basisbereich etwas größer ist als die Breite der Maske, bedeutet bei Überätzung, daß die Breite des geätzten Substrats am Basisbereich annähernd gleich der anfänglichen Maskenbreite wird. Dies ist die für genaue Musterzeichnung von Halbleitern am besten geeignete Ätzung, insbesondere für die Musterzeichnung im Submicron-Bereich.
  • Leerseite

Claims (6)

  1. PLASMA-ÄT ZVERFAHREN Patentanspruche Plasma-Ätzverfahren zum Ätzen der Oberfläche einer Probe (12) durch Bildung eines Plasmas mittels Einführung eines Ätzgases (16-18) und Auftreffenlassen aktiver Teilchen aus dem Plasma, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß als Ätzgas ein fluorhaltiges Gas (16) verwendet wird, dem ein stickstoffenthaltendes Gas (18) mit einem Partialdruck von 5 bis 13%, bezogen auf Ni, beigefügt ist.
  2. 2. Plasma-Ätzverfahren nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Ätzgas Wasserstoff (17) enthält.
  3. 3. Plasma-Ätzverfahren nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Plasma gebildet wird, indem das Ätzgas gleichzeitig einem elektromagnetischen Mikrowellenfeld und einem Magnetfeld ausgesetzt wird.
  4. 4. Plasma-Ätzverfahren nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das stickstoffenthaltende Gas (18) aus Stickstoff- und/oder Ammoniak - und/oder Stickstofftrifluorid-Gas besteht.
  5. 5. Plasma-Ätzverfahren nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Probe (12) aus einem Halbleitersubstrat aus Silizium besteht.
  6. 6. Plasma-Ätzverfahren nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das fluorhaltige Gas hauptsächlich SF6-Gas enthält.
DE19833318566 1982-05-24 1983-05-20 Plasma-aetzverfahren Ceased DE3318566A1 (de)

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