DE3714144C2 - Verfahren zum chemischen Trockenätzen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Trockenätzen eines Silizium­ nitridfilms mit hoher Selektivität in bezug auf einen Siliziumdioxidfilm wie es bei der Herstellung eines Halb­ leiters benutzt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 31 25 054 A1 bekannt.

Bei bekannten Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterele­ mentes wird ein Si₃N₄-Film durch Trockenätzen - abge­ kürzt CDE - geätzt, wobei man üblicherweise eine Gasmischung aus CF₄ + O₂ oder CF₄ + O₂ + N₂ benutzt. Bei dem CDE-Verfahren wird der Si₃N₄-Film mit einer hohen Geschwindigkeit geätzt. Um zu vermeiden, daß das mit dem Si₃N₄-Film überzogene Siliziumsubstrat geätzt wird, überzieht man die Oberfläche des Siliziumsubstrates mit einem SiO₂-Film. Die Dicke des zum Überziehen benutzten SiO₂-Films wird in Berück­ sichtigung des Ätzgeschwindigkeits-Verhältnisses zwischen Si₃N₄ und SiO₂ und verschiedener Ätzgeschwindigkeiten auf einem einzelnen Substrat oder zwischen mehreren Sub­ straten aufgrund verschiedener Orte und den Substraten bestimmt. Das Ätzgeschwindigkeits-Verhältnis, d. h. die Selektivität von Si₃N₄/SiO₂ beim Trockenätzen ist höchstens 10. Ist auf der Oberfläche des mit SiO₂ überzogenen Silizium­ substrates eine Stufe vorhanden, dann ist die Ätzgeschwindig­ keit des SiO₂ an dem Stufenteil größer als die auf einem flachen Abschnitt. Da das Ätzen entsprechend der höheren Geschwindigkeit erfolgt, wird die effektive Selektivität kleiner.

Es sei angenommen, daß als zu ätzendes Substrat ein Si­ liziumsubstrat 51 benutzt wird, in dem ein Graben 52 mit einem großen Verhältnis von Durchmesser zu Tiefe gebildet ist, wie in Fig. 3A gezeigt. Innerhalb des Grabens 52 ist ein SiO₂-Film 53 gebildet. Die Oberfläche des Substrates 51 ist mit SiO₂-Film 53 und Si₃N₄-Film 54 in der genannten Reihenfolge überzogen. Der SiO₂-Film 53 ist an den oberen und unteren Ecken 55 und 56 des Grabens 52 dünn. Wenn daher der Si₃N₄-Film 54 in einer Tiefe geätzt wird, die der Dicke des SiO₂-Films 53 mit Ausnahme der Ecken 55 und 56 entspricht, dann ist der SiO₂-Film 53 an den Ecken 55 und 56 vollständig weggeätzt, und das darunterliegende Siliziumsubstrat 51 wird manchmal in unerwünschter Weise geätzt, wie in Fig. 3B gezeigt. Wenn daher das zu ätzende Substrat derartige Ecken aufweist, wird die Ätzgeschwindig­ keit beziehungsweise Ätzrate von Si₃N₄ relativ vermindert. In diesem Falle beträgt die Selektivität von Si₃N₄/SiO₂ etwa 3. Soll der Si₃N₄-Film gleichmäßig geätzt werden, kann ein Überätzen auftreten. Der SiO₂-Film muß daher um das Ausmaß des Überätzens dicker ausgebildet werden. Um daher einen 2 × 10² nm dicken Si₃N₄-Film ohne Beschädigung eines Substrates zu ätzen, muß die Dicke eines SiO₂-Films etwa 10² nm betragen. Um einen derart dicken Film auf einem Substrat mit einem Kanal auszubilden, ist ein großer Kanal erforderlich, der zu einer Schwächung des Substrates führt. Bei der Bildung eines dicken SiO₂-Films treten auch verschiedene Probleme auf. Setzt man ein Substrat zur Bildung eines SiO₂-Filmes einer hohen Temperatur aus, dann kann bei der Herstellung von Mikroelementen ein vor­ handenes Verunreinigungsprofil zerstört werden. Ein SiO₂- Film, der dick genug ist, um eine ausreichende Ätzbeständig­ keit aufzuweisen, kann daher nicht durch thermische Oxidation gebildet werden.

Andererseits hat ein bei tiefer Temperatur gebildeter SiO₂-Film eine schlechtere Ätzbeständigkeit als ein durch thermische Oxidation gebildeter SiO₂-Film und ist deshalb als Schutzfilm beim Ätzen nicht brauchbar.

Beim Ätzen von Si₃N₄ mit heißer Phosphorsäurelösung hat man eine hohe Selektivität von Si₃N₄/SiO₂. Die Ätzrate des Si₃N₄ beträgt bei diesem Verfahren jedoch nur wenige nm/min, was zu einer geringen Produktivität führt. Außerdem ist es sehr schwierig, verschiedene Bedingungen, wie die Temperatur einer Ätzlösung während des Ätzens zu steuern oder die Ätzlösung zu erhalten. Aus diesem Grunde ist bisher kein besseres Verfahren als das Trockenätzen vor­ geschlagen worden.

Die gattungsbildende DE 31 25 054 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, bei dem Silizium­ nitrid und Siliziumoxidschichten durch Kontaktierung der Schichten mit Bestandteilen eines in einer Gasmischung gebil­ deten Plasmas geätzt werden, wobei die Gasmischung eine Fluor- und eine Sauerstoffverbindung enthält. Durch Zusatz einer gas­ förmigen Verbindung, die ein von Fluor abweichendes Halogen enthält, kann die Ätzselektivität erhöht werden. Die ein von Fluor abweichendes Halogen enthaltende gasförmige Verbindung wird zusammen mit der Fluor und Sauerstoff enthaltenden Gasmischung angeregt.

Ferner wird in "Solid State Technology", März 1984, Seiten 172-175, Stickstofftrifluorid als geeignetes Ätzmittel für das selektive Ätzen von Silizium bezüglich Siliziumdioxid be­ schrieben, da es hohe Ätzgeschwindigkeit und gute Selektivität aufweist.

Aus "Solid State Technology", März 1985, Seiten 123-127 ist bekannt, daß Chlor- und Bromatome für ein anisotropes Plasma- Ätzen von Silizium in hohem Maße geeignet sind.

Die DE 28 14 028 A1 beschreibt ein Verfahren zum Trockenätzen, bei dem eine Gasmischung, die Fluor- und Sauerstoffatome ent­ hält, in einem von dem Gefäß, in dem das Trockenätzen erfolgt, verschiedenen und beabstandeten Bereich angeregt und dann in das Gefäß eingeleitet wird.

Die EP 0 168 768 A1 beschreibt eine Trockenätzvorrichtung, die eine Vorrichtung zur Erzeugung einer metastabilen, angeregten Gasspezies, z. B. Stickstoff oder Edelgas, eine Vorrichtung zur Übertragung des Gases in die Reaktionskammer, in der sich das zu ätzende Substrat befindet, und eine Vorrichtung zur Einfüh­ rung eines reaktiven Gases zum Ätzen in die Reaktionskammer umfaßt.

Die vorliegende Erfindung hat als Aufgabe die Schaffung eines Trockenätzverfahrens, bei dem die Ätzrate bzw. Ätz­ geschwindigkeit eines Siliziumnitridfilms hoch ist und das eine hohe Ätzselektivität eines Siliziumnitridfilms in bezug auf einen Siliziumdioxidfilm aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist das folgende: Bei einem Verfahren zum Trockenätzen, bei dem das Ätzen das Anregen eines Fluor enthaltenden Gases in einem sich von einem Gefäß verschiedenen Bereich umfaßt und das Gefäß das zu ätzende Substrat enthält und bei dem man die erzeugten Fluoratome dem zu ätzenden Substrat zuführt, wird ein Fluor und nicht angeregtes Chlor oder Brom enthaltendes Gas benutzt. Das Fluor enthaltende Gas wird in einem von dem das zu ätzende Substrat enthaltenden Gefäß verschiedenen und beabstandeten Bereich angeregt, und dient so als eine aktive Art. Das erhaltene Gas wird dem zu ätzenden Substrat zugeleitet und ätzt einen Silizium­ nitridfilm mit hoher Selektivität in bezug auf einen Siliziumdioxidfilm.

Bei einem CDE-Verfahren, bei dem ein Fluor enthaltendes Gas benutzt wird, ist, wie oben ausgeführt, die Ätzrate eines Siliziumnitridfilms hoch, doch ist die Selektivität mit Bezug auf einen Siliziumdioxidfilm gering. Es ist bekannt, daß die Selekti­ vität verbessert wird, wenn andere Halogene als Fluor in dem Gas enthalten sind. Der Mechanismus dieser Wirkung wird noch nicht voll verstanden. Wenn jedoch ein anderes Halogen als Fluor hinzugefügt wird, wie Cl₂ oder Br₂, dann ist, obwohl die Ätzraten sowohl des Siliziumnitrid- als auch des Siliziumdioxidfilms vermindert sind, die Verminderung der Ätzrate des Siliziumdioxidfilms größer als die des Siliziumnitridfilms (wie noch näher erläutert wird).

In der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, daß die Selektivität weiter verbessert wird, wenn eine Gasmischung aus einem Fluor enthaltenden Gas und Chlor oder Brom verwendet wird und das Chlor oder Brom ohne angeregt zu werden zusammen mit dem Fluor enthaltenden Gas in das Gefäß einge­ leitet wird.

Das Fluor enthaltende Gas für die obige Gasmischung wird in einem vom Gefäß unterschiedlichen Bereich angeregt. Als Verbindung kann ClF, ClF₃, BrF, BrF₃, BrF₅ oder JF₅ einge­ setzt werden. Als Fluor enthaltendes Gas für die Gasmischung kann man eine Gasmischung aus CF₄ + O₂ oder NF₃ benutzen. Für das andere Halogene als Fluor enthaltende Gas für die Gasmischung wird Cl₂ oder Br₂ eingesetzt. Im Falle der Gasmischung kann das andere Halogene als Fluor ent­ haltende Gas vor dem, gleichzeitig mit oder nach dem Fluor enthaltenden Gas in das Gefäß eingeleitet werden.

Während des Ätzens ist der Gasdruck vorzugsweise etwa 27 Pa (0,2 Torr) oder mehr und das zu ätzende Substrat hat eine Temperatur von vorzugsweise 40°C oder weniger.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Trockenätzen umfaßt ein Gefäß zur Aufnahme des zu ätzenden Substrates, wobei auf dem Substrat erst ein Sili­ ziumdioxidfilm und dann ein Siliziumnitridfilm gebildet wird. Die Vorrichtung umfaßt weiter eine Einrichtung zum Anregen eines zumindest Fluor enthaltenden Gases in einem von dem Gefäß verschiedenen und beabstandeten Bereich, eine Einrichtung zum Zuführen einer durch die Anregung erzeugten aktiven Art des Fluors in das Gefäß, eine Einrichtung, um ein andere Halogene als Fluor enthaltendes Gas zuzuführen und eine Einrichtung zum Evakuieren des Gefäßes.

Bei dieser Vorrichtung kann das Gefäß zur Aufnahme des zu ätzenden Substrates einem ersten Gefäßes entsprechen, und die Vorrichtung kann ein zweites Gefäß umfassen, das über ein Vakuumventil mit dem ersten Gefäß in Verbindung steht, wobei die Vorrichtung weiter eine Einrichtung zum Evakuieren des zweiten Gefäßes unabhängig vom ersten Gefäß und eine Einrichtung zum Transportieren des zu ätzenden Substrates zwischen dem ersten und dem zweiten Gefäß umfaßt. Es können auch mehrere zweite Gefäße vorhanden sein, die jeweils über Vakuumventile mit dem ersten Gefäß in Verbindung stehen. Das Gefäß zur Aufnahme des Substrates kann eine Kühleinrichtung aufweisen, um die Temperatur während des Ätzens zu steuern. Wird das zweite Gefäß mit einer Einrich­ tung zum Erhitzen des zu ätzenden Substrates versehen, dann kann restliches Halogengas oder ähnliches, das an der Oberfläche des zu ätzenden Substrates haftet, entfernt werden.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 und 2 graphische Darstellungen der Änderungen in den Ätzraten von Si₃N₄ und SiO₂ in bezug auf die Strö­ mungsgeschwindigkeiten von Cl₂ bzw. Br₂;

Fig. 3A und 3B Querschnitte eines nach einem üblichen Verfahren zu ätzenden Substrates;

Fig. 4A und 4B Querschnitte eines nach dem Verfahren des Beispiels 1 der vorliegenden Erfindung zu ätzenden Substrates;

Fig. 5 und 6 schematische Ansichten einer Vorrichtung zum Trockenätzen gemäß den Beispielen 1 und 2 der vorliegen­ den Erfindung;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Ätzzeit und der Substrattemperatur;

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Ätzrate von Si₃N₄ und SiO₂ und der Temperatur des Substrates; und

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Druck und der Si₃N₄/SiO₂-Selektivität.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 5 wird im folgenden zunächst eine Vorrichtung zum Trocken­ ätzen nach der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Ein Probentisch 13, der mehrere zu ätzende Scheiben 12 aufnimmt, ist in einem ersten Gefäß 11 angeordnet, das als Reaktorkammer dient. Ein Gaseinlaß 14 zur Zuführung von Fluoratomen befindet sich am Oberteil des Gefäßes 11 und ist mit einem Entladungsrohr 15 zum Transport von Fluoratomen verbunden. Einem mit der Mitte des Rohres 15 verbundenen Applikator 18 werden von einem Mikrowellengenerator 16 über eine Mikro­ wellenleitung 17 Mikrowellen zugeführt. Ein Gas (das Fluor enthält) und das von einer Gasaufnahme 19 kommt, erzeugt eine Mikrowellenentladung und wird beim Appliktor 18 angeregt. Dabei wird eine aktive Art (Fluor-Radikale) des zugeführten Fluors erzeugt und in das Gefäß 11 geleitet. Zusätzlich zum Gaseinlaß 14 befindet sich ein Gaseinlaß 20 am Oberteil des Gefäßes 11. Durch den Einlaß 20 gelangt ein anderes Halogengas als Fluor, nämlich Cl₂ oder Br₂ in das Gefäß 11. Durch den Gasauslaß 21 wird das Gefäß 11 evakuiert.

In der Darstellung der Fig. 5 auf der rechten Seite des ersten Gefäßes 11 ist ein zweites Gefäß 23 angeordnet, das über den Gasschieber 22 damit in Verbindung steht. Das Gefäß 23 weist einen Gasauslaß 24 auf, so daß das Gefäß 23 unabhängig vom Gefäß 11 evakuiert werden kann. Ein Gasschieber 25 zum Abschluß des Gefäßes 23 gegenüber der Außenseite ist auf der rechten Seite des Gefäßes 23 vorhanden. Ein erster Transportmechanismus 26 zum Transpor­ tieren des Tisches 13 ist innerhalb des Gefäßes 23 vorhanden. Der Mechanismus 26 transportiert den Tisch 13 bei offenem Schieber 22 zwischen dem ersten und dem zweiten Gefäß 11 bzw. 23.

Ein drittes Gefäß 28 ist in der Darstellung der Fig. 5 auf der linken Seite des Gefäßes 11 angeordnet und steht damit über einen Gasschieber 27 in Verbindung. Das Gefäß 28 weist einen Gasauslaß 29 auf, so daß das Gefäß 28 unab­ hängig vom Gefäß 11 evakuiert werden kann. Um das Gefäß 28 von der Außenseite abzuschließen, ist die linke Seite des Gefäßes 28 mit einem Gasschieber 30 versehen. Innerhalb des Gefäßes 28 befindet sich ein zweiter Transportmechanis­ mus 31 zum Transportieren des Tisches 13. Bei geöffnetem Schieber 27 transportiert der Mechanismus 31 den Tisch 13 zwischen dem ersten und dem dritten Gefäß 11 bzw. 28. Das Gefäß 28 weist auf seiner Außenseite eine Heizeinrichtung 32 zum Erhitzen von innerhalb des Gefäßes 28 befindlichen Scheiben 12 auf.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Im folgenden wird ein unter Einsatz der vorherbeschriebenen Vorrichtung durchgeführtes Ätzverfahren beschrieben. Bei diesem Beispiel wird NF₃ als Fluor enthaltendes Gas und Cl₂ als weiteres Gas eingesetzt.

Die Gasschieber 22, 25, 27 und 30 sind alle geschlossen und die Gefäße 11, 23 und 28 sind alle evakuiert. Nach dem Öffnen des Schiebers 25 ist das zweite Gefäß 23 der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt und ein Probentisch 13, der mehrere zu ätzende Scheiben 12 aufweist, wird in dem Gefäß 23 angeordnet. Dann schließt man den Schieber 25 und evakuiert das Gefäß 23 durch den Gasauslaß 24. Nach dem Öffnen des Ventils 22 wird der Tisch 13 durch den Transportmechanismus 26 in das erste Gefäß 11 überführt und danach der Schieber 22 geschlossen. Nach dem vorbeschrie­ benen Verfahren werden dann die nächsten Scheiben 12 im Gefäß 23 angeordnet.

NF₃-Gas wird durch die Gasaufnahme 19 zugeführt und im Entladungsrohr 15 mit Mikrowellen bestrahlt, um aktives Fluor zu erzeugen, das durch den Gaseinlaß 14 dem Gefäß 11 zugeführt wird. Gleichzeitig leitet man durch den Gas­ einlaß 20 Cl₂-Gas ohne Anregung in das Gefäß 11. Das Gas tritt mit einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit aus dem Gasauslaß 21 aus und das CDE der Scheiben 12 erfolgt unter Aufrechterhaltung eines vorbestimmten Gasdruckes im Gefäß 11.

Nachdem das Ätzen abgeschlossen ist, wird die Zufuhr des obigen Gases beendet und das Gefäß 11 evakuiert. Der Schie­ ber 27 wird geöffnet, nachdem das Gefäß 11 vollständig evakuiert ist. Durch den zweiten Transportmechanismus 31 transportiert man den Tisch 13 in das dritte Gefäß 28 und schließt den Schieber 27 wieder. Die im dritten Gefäß 28 befindlichen Scheiben 12 werden durch die Heiz­ einrichtung 32 erhitzt. Durch dieses Erhitzen kann rest­ liches Halogengas oder ähnliches, das an den Oberflächen der Scheiben 12 haftet, entfernt werden. Dann öffnet man den Schieber 30, um das Gefäß 28 der umgebenden Atmosphäre auszusetzen und nimmt den Tisch 13 heraus. Somit sind alle Ätzstufen der Scheiben 12 abgeschlossen.

Durch Wiederholen der obigen Operation können mehrere Scheibensätze ohne Vergeudung von Zeit geätzt werden. Das Innere des Gefäßes 11 wird der äußeren Atmosphäre nicht ausgesetzt, was eine leichte Instandhaltung der Vorrichtung gestattet. Würde restliches Halogengas, wie Cl₂ oder Br₂, das in das Gefäß 11 geleitet wurde, der äußeren Atmosphäre ausgesetzt, dann könnte das Material, das das Gefäß 11 bildet, durch Umsetzung mit dem restlichen Halogengas und Wasser in der Atmosphäre in unerwünschter Weise korrodiert werden.

Im folgenden wird der Grund beschrieben, aus dem das Cl₂ oder Br₂ durch den Einlaß 20 zugeführt wird. Die Fig. 1 zeigt Änderungen in den Ätzraten von Si₃N₄ und SiO₂, wenn man die Zufuhr von NF₃ bei 36 cm³/min ("sccm") hält und die Strömungsgeschwindigkeit von Cl₂ ändert. Der Gesamtdruck innerhalb des Gefäßes wurde bei etwa 27 Pa gehalten. Wird Cl₂ zugeführt, dann erhöht sich die Ätzgeschwindigkeit des Si₃N₄ anfänglich, vermindert sich dann aber, während die Ätzgeschwindigkeit von SiO₂ durchgehend vermindert wird. Das Ätzverhältnis wird bei Zugabe von Cl₂ durchgehend erhöht, weil die Verminderung der Ätzrate des SiO₂ größer ist als die des Si₃N₄. Bei Strömungsgeschwindigkeiten von Cl₂ von 20 cm³/min oder mehr bzw. 56 cm³/min (jeweils unter Normalbedingungen) oder mehr betragen die Selektivitäten 10 oder mehr bzw. 50 oder mehr. Erhöht man daher die zugeführte Menge an Cl₂, dann kann das Verhältnis der Ätzgeschwindigkeit von Si₃N₄ in bezug auf SiO₂ ausreichend erhöht werden.

Fig. 2 zeigt die Änderungen in den Ätzgeschwindigkeiten von Si₃N₄ und SiO₂, wenn die Strömungsgeschwindigkeit von NF₃ bei 40 cm³/min (unter Standardbedingungen) gehalten und die Strömungsgeschwindigkeit von Br₂, das als weiteres Gas benutzt wird, variiert wird. Der Gesamtdruck innerhalb des Gefäßes wird wieder bei etwa 27 Pa gehalten. Wie die Fig. 2 zeigt, erhöht sich das Verhältnis der Ätzraten durchgehend bei Zufuhr von Br₂. Dies ergibt sich aus einer stärkeren Verminderung der Ätzgeschwindigkeit von SiO₂ als von Si₃N₄. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 cm³/min (Standardbedingungen) beträgt die Selektivität 40 oder mehr. Durch Zugabe von Br₂ kann daher das Ätzverhältnis von Si₃N₄ mit Bezug auf SiO₂ ausreichend erhöht werden.

Die in Fig. 4A gezeigte Scheibe wird bei Strömungsgeschwin­ digkeiten von NF₃ bzw. Cl₂ von 36 bzw. 56 cm³/min (Standard­ bedingungen) und einem Gesamtdruck im Gefäß von etwa 27 Pa, wie mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, geätzt. Die dargestellte Scheibe entspricht der in Fig. 3A gezeigten Scheibe. Es ist ein Graben 42 mit einem hohen Verhältnis zwischen Durchmesser und Tiefe in der Oberfläche des Siliziumsubstrates 41 gebildet. Innerhalb des Grabens 42 und auf der Oberfläche des Substrates ist ein 20 nm dicker SiO₂-Film 43 gebildet, und die Substrat­ oberfläche ist weiter mit einem 180 nm dicken Si₃N₄-Film 44 überzogen. Wird die überzogene Scheibe unter den obigen Bedingungen geätzt, dann wird der Si₃N₄-Film wirksam entfernt, das Siliziumsubstrat an den Ecken 45 und 46 (vergl. Fig. 4B) nicht geätzt.

Beim CDE unter Verwendung von NF₃ kann das Verhältnis der Ätzraten von Si₃N₄ mit Bezug auf SiO₂ durch Zugabe von Cl₂-Gas ausreichend erhöht werden. Der Si₃N₄-Film kann daher selbst dann entfernt werden, wenn der die Oberfläche schützende SiO₂-Film dünn ist, was zu einer großen Verbesserung beim Herstellungsverfahren des Halblei­ ters führt.

Das Verfahren ist besonders wirksam, wenn ein Si₃N₄-Film von einer Probe entfernt wird, auf der in einem Graben nur ein dünner Oxidfilm gebildet werden kann. Da der gebilde­ te Oxidfilm dünn sein kann, kann man nach diesem Verfahren eine Störung des Verunreinigungsprofils während der Bildung des Oxidfilms vermeiden. Außerdem wird die für das Ätzen erforderliche Zeit verkürzt, was die Produktivität stark erhöht. Schließlich ist das Verfahren leicht auszuführen und kann daher leicht kontrolliert oder überwacht werden.

Beispiel 2

Wie in Beispiel 1 beschrieben, können beim CDE unter Ver­ wendung von Fluoratomen als Ätzmittel bei Zugabe von Cl₂ oder Br₂ und geeignet ausgewählte Gas- Strömungsgeschwindigkeiten, Drücken usw. Ätzgeschwindig­ keiten von 20 bis 30 nm/min für Si₃N₄ und eine Selektivität von 50 oder mehr erhalten werden. Erfolgt das Ätzen für eine lange Zeitdauer, dann erhöht sich die Temperatur des zu ätzenden Substrates graduell aufgrund der Reaktionswärme oder dem Auftreffen des eine hohe Temperatur aufweisenden Entladungsgases während des Ätzens. Fig. 7 zeigt Änderungen in der Substrattemperatur, die auftreten, wenn ein zu ätzendes Substrat mit einem Si₃N₄-Film auf einem SiO₂-Substrat ohne Temperaturkontrolle geätzt wird, wobei die Ätzbedingungen Strömungsgeschwindig­ keiten von NF₃ bzw. Cl₂ von 40 bzw. 60 cm³/min (Standard­ bedingungen) und einen Gesamtdruck von 27 Pa einschließen. Nach Fig. 7 erhöht sich die Temperatur des Substrates leicht mit zunehmender Ätzzeit. Fig. 8 zeigt Änderungen in den Ätzgeschwindigkeiten von Si₃N₄ und SiO₂ sowie Änderungen in der Selektivität von Si₃N₄/SiO₂ bei Variation der Substrattemperatur unter den Bedingungen der Strömungsgeschwindigkeit von NF₃ bzw. Cl₂ von 40 bzw. 60 cm³/min (Standardbedingungen) und einem Gesamtdruck von 27 Pa. Gemäß Fig. 8 erhöhen sich die Ätz­ geschwindigkeiten von Si₃N₄ und SiO₂ mit steigender Sub­ strattemperatur, doch vermindert sich die Selektivität. Um das Ätzen mit hoher Selektivität durchzuführen, wird die Substrattemperatur daher vorzugsweise etwa bei Raum­ temperatur gehalten.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung mit einer Temperatursteuerung der Scheibe. Unter Betätigung des Ventils bzw. Schiebers 63 wird Gas aus dem Auslaß 62 ab­ gezogen und das Gefäß 61 evakuiert. Ein Probentisch 65, auf dem das Substrat 64 angeordnet ist, wird innerhalb des Gefäßes 61 angeordnet. Das Kühlen erfolgt durch Zirkulieren von Wasser oder Stickstoffgas in einem nicht dargestellten Rohr, das in einem Kühlmechanismus 66 vorhanden ist. Das Gefäß 61 hat Gaseinlässe 67 und 68, wobei der Einlaß 67 zum Einleiten eines Fluor enthaltenden Gases mit einem Entladungsrohr 69 verbunden ist. Das andere Ende des Rohres 69 dient als Gaseinlaß 70. Eine Mikrowellen­ leitung 72, die mit einem Mikrowellengenerator 71 verbunden ist, ist an dem Rohr 69 montiert.

Im folgenden wird ein Verfahren zum Trockenätzen mit der vorbechriebenen Vorrichtung erläutert. In diesem Beispiel wird NF₃ als Fluor enthaltendes Gas und Cl₂ als andere Halogene als Fluor enthaltendes Gas benutzt.

Das Substrat 64 wird auf dem Tisch 65 angeordnet und das Gefäß 61 evakuiert. Dann führt man NF₃ und Cl₂ durch die Einlässe 70 und 68 ein. Das Ventil bzw. der Schieber 63 wird reguliert, um einen vorbestimmten Druck zu erhalten. Danach werden Mikrowellen zum Anregen von NF₃ eingesetzt und das angeregte NF₃ wird zugeführt, um das Ätzen zu bewirken. Während des Ätzens werden die Temperaturen von Tisch 65 und Substrat 64 überwacht und vorbestimmte Tempe­ raturen mittels des Mechanismus 66 aufrechterhalten.

Beispiel 3

Im folgenden wird eine Wirkung des Druckes auf die Si₃N₄/ SiO₂-Selektivität während des Ätzens beschrieben. Fig. 9 zeigt Änderungen in der Selektivität mit Bezug auf den Druck vor der Entladung, wenn die Strömungsgeschwindigkeit von NF₃ 100 und 150 cm³/min (Standardbedingungen) beträgt. In beiden Fällen ist die Selektivität um so größer, je höher der Druck ist. Obwohl der Mechanismus dieser Erschei­ nung noch nicht voll verstanden wird, nimmt man doch an, daß diese Erscheinung dadurch verursacht wird, daß Cl₂ oder Br₂ oder ein Re­ aktionsprodukt, bei dem dieses Gas als Ausgangsmaterial dient, an SiO₂ haftet und so das Ätzen des SiO₂ verhindert.

Ein Ätzen mit einer hohen Selektivität von 10 oder mehr von Si₃N₄ mit Bezug auf SiO₂ kann bei einem Druck von 27 Pa oder mehr ausgeführt werden. Wird NF₃ allein einer Entladung unterworfen, dann kann bei einem Druck von weniger als 27 Pa eine stabile Mikro­ wellenentladung nicht erzeugt werden. Wirkt die Entladung auf das NF₃ jedoch in Anwesenheit von Cl₂, dann kann man die Entladung bei einem Druck von etwa 13 Pa aufrechterhalten und erhält eine Selektivität von 5. Da der Druck relativ gering ist, kann in diesem Falle ein Film mit guter Gleichmäßigkeit geätzt werden.

Im folgenden wird das Ätzen der Scheibe der Fig. 4A und 4B bei Strömungsgeschwindigkeiten von NF₃ bzw. Cl₂ von 150 bzw. 100 cm³/min (Standardbedingungen) und einem Gesamtdruck von etwa 40 Pa beschrieben. Bei dieser Scheibe wird der Graben 42 an einem flachen Abschnitt des Siliziumsubstrates 41 gebildet. Die inneren Teile des Grabens 42 und ein flacher Teil des Siliziumsubstrates 41 werden mit einem 40 nm dicken SiO₂-Film über­ zogen. Außerdem wird auf dem flachen Teil ein 150 nm dicker Si₃N₄-Film 44 gebildet. Die Ätzzeit wird so ausgewählt, daß die Scheibe unter den genannten Bedingungen in allen Bereichen überätzt wird. Wie die Fig. 4B zeigt, kann der Si₃N₄-Film jedoch ohne Ätzen des Siliziumsubstrates an den Ecken 45 und 46 entfernt werden.

Die vorliegende Erfindung ist auf die vorbeschriebenen Ausführungsformen nicht beschränkt. Anstelle von NF₃ kann als Fluor enthaltendes Gas CF₄, CF₄ + O₂, C₂F₆ + O₂, C₃F₈, C₃F₈ + O₂, SF₆, BF₃, PF₃, PF₅, XeF₂ benutzt werden.

Im Falle eines Substrates mit einem natürlichen Oxidfilm darauf werden zuerst nur Fluoratome zu dem Substrat ge­ leitet, um den natürlichen Oxidfilm zu beseitigen. Dann mischt man das andere Halogen hinzu, um das Ätzen auszu­ führen, wodurch die Ätzzeit vermindert wird.

Claims (6)

1. Verfahren zum cheimschen Trockenätzen, bei dem:

• - ein zu ätzendes Substrat in einem Gefäß einge­ schlossen wird,
• - ein Fluor enthaltendes Gas angeregt wird, um eine aktive Art zu erhalten,
• - weiterhin Cl₂ oder Br₂ in das Gefäß geleitet wer­ den, und
• - mit der aktiven Art selektiv ein Siliziumnitrid­ film (44) aus Si₃N₄ bezüglich einem auf dem Sub­ strat (41) aufgebrachten Siliziumoxidfilm (43) geätzt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Fluor enthaltende Gas CF₄+O₂ oder NF₃ oder CF₄ oder C₂F₆+O₂ oder C₃F₈ oder C₃F₈+O₂ oder SF₆ oder BF₃ oder PF₃ oder PF₅ oder XeF₂ ist,
• - das Fluor enthaltende Gas in einem von dem Gefäß (11) verschiedenen und beabstandeten Bereich ange­ regt wird, um die aktive Art zu erhalten, die in das Gefäß geleitet wird, und
• - das Cl₂ oder Br₂ ohne Anregung in das Gefäß gelei­ tet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst das Fluor enthaltende Gas und dann das Cl₂ oder Br₂ in das Gefäß geleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ätzen bei einem Gasdruck von etwa 27 Pa oder mehr ausgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des zu ätzenden Substrats (41) 40°C oder weniger beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumnitridfilm (44) auf dem Siliziumdioxidfilm (43) vorgesehen wird.