DE3935189A1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung von werkstuecken durch reaktives ionenaetzen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur behandlung von werkstuecken durch reaktives ionenaetzen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Werkstücken, beispielsweise von flachen Werkstücken in Form von Substraten, vorzugsweise von Halbleitersubstraten, durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung einer Lackmaske oder anderen Mitteln zur Abdeckung von Substraten, von dotiertem, polykristallienem Silizium, das auf einer, vorzugsweise aus SiO2 bestehenden, Unterlage angebracht ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Behandlung von Werkstücken, beispielsweise von flachen Werkstücken in Form von Substraten, vorzugsweise von Halbleitersubstraten, durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung einer Lackmaske oder anderen Mitteln zur Abdeckung von Substraten, von Mehrfachschichten (Polyziden), insbesondere Doppelschichten, bestehend aus Polysilizium und einem Silizid.
Zur Erklärung der Begriffe sei auf folgendes hingewiesen:
In der Fachwelt hat sich der Ausdruck "Polyzid" für Mehr­ fachschichten durchgesetzt, die eine Polysiliziumschicht und eine Silizidschicht umfassen. Als Silizide kommen unter anderem in Frage: TaSi2, MoSi2, WSi2, TiSi2.
Im engeren Sinne werden unter "Polyzide" auch Doppel­ schichten, bestehend aus einer Polysiliziumschicht und einer Silidschicht, verstanden.
Obgleich sich mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale der Erfindung auf Polyzide in Form von Doppel­ schichten beziehen, beziehungsweise an Hand von Doppel­ schichten beschrieben werden, ist die vorliegende Erfin­ dung keinesfalls auf Doppelschichten begrenzt.
Die Merkmale der Erfindung sind, wie weiter unten noch beschrieben werden wird, auch für Einschicht- und Mehr­ fachschichtsysteme, die über eine Doppelschicht hinaus­ gehen, anwendbar. Dabei können zahlreiche Materialien, siehe hierzu die Beschreibung der Ausführungsbeispiele, eingesetzt werden.
Die genannten Schichten finden Verwendung als Bestandteile mikroelektronischer Schaltkreise. In ihnen werden Leiter­ bahnen, Gate-Elektroden und andere Funktionsteile der Elektronik untergebracht. Zur Strukturierung dieser Schichten wird heute überwiegend das reaktive Ionenätzen eingesetzt (Reactive Ion Etching, Kurzform: RIE) sowie das sogenannte Plasmaätzen (Plasma Etching, Kurzform: PE).
Bei diesen Verfahren ist es erforderlich, hohe Ätzraten zusammen mit hoher Selektivität gegenüber dem unterliegen­ den Material und hohe Maßhaltigkeit zu erreichen. Das unterliegende Material ist meist eine Siliziumdioxid­ schicht. Hohe Maßhaltigkeit erfordern hohe Anisotropie, daß heißt, insbesondere hohe Ätzraten in vertikaler Richtung 6 und niedrige Ätzraten in lateraler Richtung 7, siehe Fig. 1 und 2, der Ätzung.
Die gewünschte, spätere Struktur der Schicht wird durch eine Lackmaske, üblicherweise bestehend aus einem Foto­ lack, definiert. Das heißt, die zu erhaltenden Bereiche der Schicht sind vom Fotolack abgedeckt, während die durch die Ätzung zu entfernenden vom Fotolack frei sind.
In der Regel soll die Form exakt in der zu strukturieren­ den Schicht reproduziert werden, was erfordert, daß der Ätzprozeß nur in den nicht an der Lackmaske abgedeckten Bereichen der Schicht (Fig. 1), nicht aber unterhalb der Lackmaske (Fig. 2) stattfindet. In Fig. 2 sind die Bereiche unterhalb der Lackmaske mit 1, 2 bezeichnet.
Besonders kritisch ist die sogenannte "Überätzphase", in der die zu strukturierende Schicht durchbrochen und größtenteils entfernt ist. Hierbei liegt ein Teil des unterliegenden Materials, siehe 3 in der Fig. 2, frei und ist somit dem Ätzprozeß ausgesetzt. Verlangt wird in der Regel, daß das unterliegende Material 3 möglichst wenig angegriffen wird. Das heißt, der Ätzprozeß muß möglichst selektiv sein.
Problematisch ist ferner, daß in der Überätzphase weniger Ätzgas verbraucht wird. Hierdurch wird die Konzentration des Ätzgases höher. Dies bewirkt wiederum, daß die Seitenwände 41 des geätzten Grabens 12 stärker angegriffen werden. Hierdurch entstehen in der Regel unerwünschte, da in der Querrichtung verringerte Profile der Leiterbahnen.
Besonders problematisch ist das Phänomen, daß bei Polyzidschichten die Seitenwände innerhalb der Silizid­ schicht häufig in anderem Maße angegriffen werden, als die Seitenwände innerhalb der Polysiliziumschicht. Dies führt zu unerwünschten Ätzprofilen, insbesondere dann, wenn die in aller Regel über der Polysiliziumschicht liegende Silizidschicht aufgrund zu hoher lateraler Ätzraten beim Ätzen der Polysiliziumschicht unterschnitten wird.
Hierbei entsteht ein für die folgende Schichtabscheidung außerordentlich problematisches Profil (siehe D. Widmann, H. Mader, H. Friedrich: "Technologie hochintegrierter Schaltungen", Springer, 1988, Seite 215).
Stand der Technik
Zum Strukturieren von Polysiliziumschichten werden gegen­ wärtig meist das Plasmaätzen (PE) oder das Reaktive Ionenätzen (RIE) unter Verwendung fluorhaltiger Gase, zum Beispiel: CF4,CF4,/O2, SF6, SiF4 oder NF3, oder chlorhaltiger Gase, zum Beispiel Cl2, CI2/Ar, Cl2/BCl3, Cl2/C2F4, Cl2/ClF3, Cl2/SF6,CCl2F2, CCl3F, CCl4, BCl3, BCl3/O2, HCL oder bromhaltiger Gase, zum Beispiel CF3Br, oder Gasmischungen eingesetzt (siehe hierzu D. Widmann, H. Mader, H. Friedrich, a.a.O., Seite 203, 212).
Dabei gewährleisten chlorhaltige oder bromhaltige Gase oder Gasmischungen in der Regel bessere Anisotropie, die jedoch im Falle n-dotierter Polysiliziumschichten häufig nicht ausreicht.
Zum Ätzen von Silizidschichten, beziehungsweise Polyzid­ schichten, wurden bisher folgende Gase, beziehungsweise Gasmischungen, eingesetzt:
  • - SF6/CL2, BCl3/Cl2, Cl2/Ar, Cl2, CF3/Br, CF4/O2, CCl4 (siehe D. Widmann, H. Mader, H. Friedrich, a.a.O., Seite 204, 215),
  • Mischungen aus SF6 oder NF3 mit CCl4 oder HCL (siehe T.P. Chow und G.M. Fanelli in: "Plasma Processing", Proceedings, Vol. 85-1, Herausgeber: G.S. Mathad, G.C. Schwartz, G. Smolinsky, The Electrochemical Society, Pennington, New Jersey, 1985, Seite 568-578),
  • - Mischung aus CF4, C2F6 und O2 in Kombination mit einer Mischung aus CCl2F2 und C2F6 (US-PS 44 44 617), Mischung aus CClF3 oder CCl2F2 mit NH3 (EP 02 12 585).
Mit Hilfe dieser Gase oder Mischungen durchgeführte Ätzprozeße (RIE bzw. PE) genügen den o. g. Erfordernissen nur teilweise, das heißt, es werden nicht alle Erforder­ nisse zugleich in gewünschtem Umfang erfüllt.
Hinzu kommt im Falle der Verwendung von CCl4 eine mögliche Gesundheitsgefährdung des Bedienungs- beziehungsweise Wartungspersonals.
Aufgabenstellung:
Es stellt sich deshalb die Aufgabe, einen Ätzprozeß zu schaffen, der es ermöglicht, Polysilizium, Silizide, insbesondere MoSi2, TaSi2, TiSi2 und WSi2, ferner hieraus zusammengesetzte Polyzidschichten möglichst anisotrop und selektiv sowohl zur unterliegenden SiO2-Schicht als auch zum Fotolack zu ätzen.
Der Prozeß soll ferner Polysilizium und Silizide gleichermaßen anisotrop ätzen, so daß Polyzidschichten in solcher Weise geätzt werden können, daß ebene Seiten­ wände entstehen, die von nachfolgenden Beschichtungen ohne größere Probleme bedeckt werden können.
Es ist dabei wünschenswert, beide Schichten mit den gleichen Gasen und im wesentlichen unveränderten Prozeß­ parametern wie: Hochfrequenzleistung (HF-Leistung), Druck, Gasdurchflußraten kontinuierlich zu ätzen, so daß es nicht zwingend notendig wird, einen Endpunkt für das Durchätzen der oberen Schicht zu definieren.
Lösung der gestellten Aufgaben:
Bei einem Verfahren zur Behandlung von Werkstücken, beispielsweise von flachen Werkstücken in Form von Substraten, vorzugsweise von Halbleitersubstraten, durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung einer Lackmaske oder anderen Mitteln zur Abdeckung von Substraten, von dotiertem, polykristallienem Silizium, das auf einer, vorzugssweise aus SiO2 bestehenden, Unterlage angebracht ist, werden die gestellten Aufgaben erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ätzgase folgende Komponenten umfassen: Chlor, SiCl4, N2.
Bei einem Verfahren zur Behandlung von Werkstücken, beispielsweise von flachen Werkstücken in Form von Substraten, vorzugsweise von Halbleitersubstraten, durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung einer Lackmaske oder anderen Mitteln zur Abdeckung von Substraten, von Mehrfachschichten (Polyziden), insbesondere Doppelschichten, bestehend aus Polysilizium und einem Silizid, werden die gestellten Aufgaben erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Polyzide mit den gleichen Prozeßgasen durchgeätzt werden.
Bei einem Verfahren zur Behandlung von Werkstücken, beispielsweise von flachen Werkstücken in Form von Substraten, vorzugsweise von Halbleitersubstraten, durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung einer Lackmaske oder anderen Mitteln zur Abdeckung von Substraten, von Mehrfachschichten (Polyziden), insbesondere Doppelschichten, bestehend aus Polysilizium und einem Silizid, wird vorgeschlagen,daß die Ätzgase folgende Komponenten umfassen: Chlor, SiCl4, N2.
Zusätzlich wird vorgeschlagen, daß dem Ätzgas als weitere Komponente AlCl3 zugesetzt wird, und zwar vorzugsweise in geringen Mengen.
In einem Ausführungsbeispiel wird vorgesehen, daß die Prozeßgase folgende Gaskomponenten umfassen: 50 sccm SiCL4, 15 sccm CL2, 10 sccm N2, daß das Verfahren bei einem Druck von 0,08 bis 0,2 mbar durchgeführt wird.
Insbesondere wird vorgeschlagen, daß bei dem letztgenannten Ausführungsbeispiel das Verfahren bei einem Druck von 0,14 mbar durchgeführt wird.
In einer alternativen Ausführungsform wird vorgeschlagen, daß das Verfahren bei einem Druck von 0,16 mbar durchgeführt wird.
In einer Gruppe von Ausführungsbeispielen wird vorgeschla­ gen, daß die Silizidschicht die Verbindungen oder Gemische, in denen die folgenden Verbindungen enthalten sind, aufweist: TaSi2, MoSi2, WSi2 oder TiSi2.
Es kann auch vorgesehen werden, daß die Silizidschicht zwei oder mehrere der folgenden Verbindungen enthält: TaSi2, MoSi2, WSi2, TiSi2.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschla­ gen, daß eine HF-Leistung eingespeist wird, die größer als
ist, wobei A die Fläche der Kathode und F den Gasdurchfluß bezeichnen.
Außerdem wird vorgeschlagen, daß das Gasdurchflußverhältnis von SiCl4 zu Cl2, ausgedrückt in sccm (standard cubic centimeters per minute), größer als 3 zu 1 ist.
Als besonders günstig hat sich ein Verfahren herausgestellt, beim dem vorgesehen ist, daß eine HF-Leistung eingespeist wird, die größer als
ist (A bezeichnet die Fläche der Kathode. F bezeichnet den Gasdurchfluß), daß das Gasdurchflußverhältnis von SiCl4 zu Cl2, ausgedrückt in sccm, größer als 3 ist, daß das Verfahren bei einem Druckniveau von 0,08 bis 0,2 mbar abläuft.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel besteht darin, daß folgende Materialien bzw. Verfahrenparameter eingesetzt werden:
  • - Maske aus gehärtetem Fotolack AZ 1350 J (Produktbezeichnung des Herstellers, Firma Kalle)
  • - Maskierte Schicht: n-dotiertes Polysilizium mit einem Schichtwiderstand von ca. 20 Ohm pro Quadrat (20Ω/).
  • - 50 sccm SiCl₄
  • -15 sccm Cl₂
  • - 10 sccm N₂
  • - Zusatz von AlCl₃
  • - Temperatur im AlCl₃-Vorratsgefäß: 30°C
  • - Temperatur in der Verbindungsleitung zwischen Vorrats­ gefäß und Gaszuleitungssystem für den Ätzprozeß, im Gaszuleitungssystem für den Ätzprozeß, in der oberen Elektrode: 40°C
  • - Temperatur in der unteren Elektrode: 20°C
  • - Elektrodenabstand: 55 mm
  • - Durchmesser der unteren Elektrode: 240 mm
  • - Druck in der Prozeßkammer: 0,16 mbar
  • - HF: 13,56 MHz
  • - HF-Leistung: 300 W
  • - dc-Spannung an der unteren Elektrode: ca. 310 V
In einem weiteren bevorzugtem Ausführungsbeispiel wird vorgesehen, daß folgende Materialien bzw. Verfahrenparameter eingesetzt werden:
  • - Maske aus gehärtetem Fotolack AZ/1350 J (Produktbezeichnung des Herstellers, Firma Kalle).
  • - Maskierte Schicht: Polyzidschicht (bestehend aus: erstens: 300 nm n-dotiertes Polysilizium, zweitens: darüber 200 nm, MoSi2 mit einem Schichtwiderstand von ca. 3 Ohm pro Quadrat (3 Ω/).
  • - 50 sccm SiCl4
  • - 15 sccm Cl2
  • - 10 sccm N2
  • - (kein Zusatz von AlCl3)
  • - Elektrodenabstand: 55 mm
  • - Durchmesser der unteren Elektrode: 240 mm
  • - Temperatur der oberen Elektrode: 40°C
  • - Temperatur in der unteren Elektrode: 20°C
  • - Druck in der Prozeßkammer: 0,14 mbar
  • - HF: 13,56 MHz
  • - HF-Leistung: 250 W
  • - dc-Spannung an der unteren Elektrode: ca. 260 V.
Die Erfindung kann weiterhin zum Ätzen von p-dotiertem Polysilizium eingesetzt werden.
Außerdem kann die Erfindung auch zum Ätzen von einkri­ stallinem Silizium eingesetzt werden.
In einer Reihe von Ausführungsbeispielen wird vorgeschla­ gen, daß die erfindungsgemäßen Verfahren zum Ätzen von PtSi, PdSi, CoSi2, NbSi2, NiSi2, Mo, Ta, Ti, W, Pt, Pd, Co, Nb oder Ni eingesetzt werden.
Es wird eine Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren vorgeschlagen, die einen Vakuumrezipienten, in dem eine untere und eine obere Elektrode angeordnet sind, aufweist, wobei vorgesehen ist, daß die obere Elektrode in Hinsicht auf die untere Elektrode so bewegbar, insbesondere verschiebbar, angeordnet ist, daß ein vorbestimmter Abstand zwischen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode als Verfahrensparameter eingestellt werden kann.
Zusätzlich wird vorgeschlagen, daß ein Detektor vorgesehen ist, der die Intensität des von einem optischen Linienfil­ ter transmittierten Lichts während des Verfahrens mißt.
Dabei kann vorgesehen werden, daß die 258-nm-Emissions­ linie des Plasmas während des Verfahrens gemessen wird.
Damit ist es möglich, daß die Intensität des Lichts der 258-nm-Emissionslinie, insbesondere der markante Anstieg der Intensität gegen Ende des Ätzprozeßes festgestellt wird.
In einem besonderen Ausführungsbeispiel wird vorgesehen, daß ein Gefäß zur Aufnahme von AlCl3 vorgesehen ist, das beheizbar ist, und an das Zuleitungssystem für die Prozeßgase des Ätzprozesses über eine Verbindungslei­ tung anschließbar angeordnet ist.
In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, daß die Temperatur der Verbindungleitung und des Zuleitungssystems 10% höher liegt als die Temperatur des Gefäßes zur Aufnahme von AlCl3 und der mit diesem Gefäß unmittelbar verbundenen Komponenten.
Insbesondere soll die Temperatur des Gefäßes zur Aufnahme von AlCl3 und der mit diesem Gefäß unmittelbar verbundenen Komponenten bei ca. 30 bis 35°C liegen und die Temperatur der Verbindungsleitung und des Zuleitungssystems bei ca. 40 bis 45°C liegen.
Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:
Die geschilderten Nachteile des Standes der Technik werden vermieden. Beim Ätzen von dotiertem, polykristallinem Silizium wird eine hohe Selektivität zur Lackmaske und zur darunterliegenden SiO2-Schicht erreicht. Gleichzeitig bleibt der Seitenwandangriff auch während einer längeren Überätzphase minimal.
Neben dem ausreichenden Schutz der Seitenwand wird andererseits die SiO2-Substratschicht weitgehend geschont. Die Gefährdung des Wartungspersonals durch die Plasmaabbauprodukte wird verringert.
Beim Ätzen einer Mehrfachschicht, insbesondere einer Doppelschicht (Polyzid), bestehend aus Polysilizium und Silizid unter Verwendung einer Lackmaske, wird ein weitgehend anisotropes Ätzen erreicht.
Es werden gute Voraussetzungen dafür geschaffen, daß ein leicht beherrschbarer Einstufenprozeß durchgeführt werden kann, bei dem die Anisotropie beider Schichten leicht möglich ist. Außerdem wird eine hohe Selektivität zum Substrat (Gateoxid, SiO2) erreicht. Der Endpunkt der Ätzung ist durch ein markantes Ansteigen der Lichtin­ tensität der 258-nm-Emissionslinie des Plasmas gut erkennbar.
Weitere Einzelheiten der Erfindung, der Aufgabenstellung und der Vorteile sind der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung zu entnehmen.
Diese Ausführungsbeispiele werden anhand von vier Figuren erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Schichtsystem in ungeätztem Zustand.
Fig. 2 zeigt das Schichtsystem nach Fig. 1 in geätztem Zustand.
Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren.
Fig. 4 zeigt eine Zusatzvorrichtung zu der Vorrichtung nach Fig. 3.
Die gewünschte, spätere Struktur der zu ätzenden Schicht 11, bestehend aus polykristallinem Silizium und/oder aus einem Polyzid und/oder aus einem in dieser Schrift angegebenen Element, beziehungsweise chemischen Verbin­ dung, wird durch eine Lackmaske 4, üblicherweise bestehend aus einem Fotolack, definiert.
Das heißt, die zu erhaltenden Bereiche 9, 10 der Schicht 11 sind vom Fotolack 4 abgedeckt, während die durch die Ätzung zu entfernenden vom Fotolack frei sind. Das zu entfernende Material trägt die Bezugsziffer 12.
In der Regel soll die Form exakt in der zu strukturieren­ den Schicht 11 reproduziert werden, was erfordert, daß der Ätzprozeß nur in den nicht an der Lackmaske abge­ deckten Bereichen 12 der Schicht (Fig. 1), nicht aber unterhalb der Lackmaske (Fig. 2) stattfindet.
In Fig. 2 sind die Bereiche unterhalb der Lackmaske mit 1, 2 bezeichnet.
Besonders kritisch ist die sogenannte "Überätzphase", in der die zu strukturierende Schicht durchbrochen und größtenteils entfernt ist (siehe Fig. 2). Hierbei liegt ein Teil des unterliegenden Materials, siehe 3 in Fig. 2, frei und ist somit dem Ätzprozeß ausgesetzt. Verlangt wird in der Regel, daß das unterliegende Material 3 möglichst wenig angegriffen wird. Das heißt, der Ätzpro­ zeß muß möglichst selektiv sein. Das unterliegende Material kann beispielsweise SiO2 sein.
Wie beschrieben, ist in den Fig. 1 und 2 die Maske mit 4 bezeichnet. 5 ist eine Ausnehmung in der Maske. Mit den Pfeilen 6 ist die vertikale Ätzrichtung bezeich­ net. Die Pfeile 7 stellen die lateralen Ätzrichtungen dar.
Der Prozeß kann vorteilhafterweise in jedem RIE-Reaktor durchgeführt werden. Hierunter werden Reaktoren zur Erzeugung von Plasma verstanden, bei denen die zu ätzenden Substrate, üblicherweise Halbleiterscheiben, zum Beispiel Siliziumscheiben, in elektrischem Kontakt mit einer Elektrode stehen. Diese Elektrode wird mit einer hochfre­ quenten Spannung beaufschlagt. Die Frequenz beträgt üblicherweise 13,56 MHz. Mit der Hochfrequenzspannung wird das Plasma erzeugt.
Der an Hochfrequenzspannung liegenden Elektrode 15 liegt eine geerdete Elektrode 16 gegenüber. Die Fläche der geerdeten Elektrode ist deutlich größer als die Fläche der an der Hochfrequenzspannung liegenden Elektrode. Da die obere Elektrode 16 und der Rezipient 8 geerdet sind, bilden elektrisch gesehen die Innenwand des Rezi­ pienten und die obere Elektrode eine gemeinsame wirksame obere Elektrodenfläche. In diesem Sinne ist der oben wiedergegebene Satz, daß die Fläche der geerdeten Elek­ trode deutlich größer als die Fläche der an Hochfrequenz­ spannung liegenden Elektrode ist, zu verstehen.
Bevor auf die erfindungsgemäßen Verfahren näher eingegan­ gen wird, ist es erforderlich, näher auf die zu verwen­ dende Vorrichtung zur Durchführung dieser Verfahren, den RIE-Reaktor, einzugehen. Es ist bekannt, daß die Verfahrensparameter, insbesondere Leistung und Gasdurchflußraten, stark von der Gestaltung des Reaktors abhängen. Bevorzugt werden Reaktoren, in denen eine einzelne Halbleiterscheibe pro Prozeß geätzt wird.
Eine bevorzugte Reaktoranordnung ist in Fig. 3 darge­ stellt und wird im folgenden erläutert.
Ein Vakuumrezipient 8, der über die Leitung 37 geerdet ist, mit einer Abpumpöffnung 13 und einem UV-durchlässigen Schauglas 14 ist mit einer unteren Elektrode 15 und mit einer oberen Elektrode 16 ausgestattet, die beide scheibenförmig ausgebildet sind. Der Pfeil 21 bezeichnet die abströmenden Abgase.
Die Elektroden stehen sich planparallel gegenüber. Beide Elektroden sind gegenüber dem Vakuumrezipienten 8 elek­ trisch isoliert. Beide Elektroden können mit Hilfe durch sie hindurchströmender Flüssigkeiten temperiert werden.
Hierzu ist die obere Elektrode mit einem Zulauf 17 für die die Temperatur einstellende Flüssigkeit und mit einem Ablauf 18 für diese Flüssigkeit versehen. Die Pfeile 19 und 20 bezeichnen die zuströmende, beziehungsweise abströmende Flüssigkeit.
Die untere Elektrode weist ebenfalls einen Zulauf 22 und einen Ablauf 23 für eine die Temperatur einstellende Flüssigkeit auf. Die einströmende Flüssigkeit wird durch den Pfeil 24 bezeichnet, die abströmende Flüssigkeit durch den Pfeil 25.
Die untere Elektrode 15 steht in Kontakt mit dem zu ätzenden Substrat 26 und wird während des Ätzprozeßes mit einer Hochfrequenzspannung gespeist. Die Frequenz beträgt beispielsweise 13,56 MHz. Die Zuleitung für die Hochfrequenzspannung ist mit 27 bezeichnet.
Die obere Elektrode 16 ist in der Regel geerdet. Die Erdungsleitung trägt die Bezugsziffer 28.
Die obere Elektrode kann in einem weiteren Ausführungs­ beispiel ebenfalls mit einer Hochfrequenzspannung gespeist werden.
Das Prozeßgasgemisch wird durch eine Bohrung 29 entspre­ chend dem Pfeil 30 in die obere Elektrode hineingeführt und durch eine Anzahl von Öffnungen, insbesondere in Form einer Gasdusche, an der dem Substrat zugewandten Seite der Elektrode in den Reaktionsraum 31 hineinge­ lassen. Die Öffnungen der Gasdusche, die in ihrer Gesamt­ heit mit 32 bezeichnet ist, sind schematisch durch Pfeile dargestellt. Eine dieser Öffnungen, beziehungsweise Pfeile, trägt pars pro toto die Bezugsziffer 33.
Der Abstand 34 zwischen der oberen und unteren Elektrode kann durch Verschieben der oberen Elektrode 16 innerhalb der Schiebedurchführung 35 auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden.
Zur Prozeßüberwachung ist die Anordnung mit einem Detektor 36 ausgerüstet, der die Intensität des von einem optischen Linienfilters 38 transmittierten Lichts über die Prozeßdauer hinweg vermißt. Das Meßgerät ist mit 40 bezeichnet.
Mit einem Voltmeter 39 kann das negative Gleichspannungs­ potential, das sich bei brennendem Plasma an der unteren Elektrode 15 von selbst einstellt und die angelegte Hoch­ frequenzspannung überlagert, gemessen werden. Die untere Elektrode 15 weist also gegenüber dem Plasma eine negative Vorspannung auf (DC-Bias).
Für die Qualität der Ätzung ist die Zusammensetzung des Gasgemisches von entscheidender Bedeutung. Erfindungsgemäß werden Cl2- und SiCl4- Gasgemische, vorzugsweise Mischungen aus Cl2, SiCl4 und N2 eingesetzt.
Hierbei spielt das Cl2 die Rolle des eigentlichen Ätzmit­ tels, indem es unter Plasmabedingungen die zu ätzenden Materialien in die unter RIE-Bedingungen mehr oder minder flüchtigen Chloride überführt. Cl2 wirkt jedoch unter produktionsrelevanten Bedingungen hierbei häufig auch isotrop ätzend, insbesondere beim Ätzen von stark n-dotiertem Polysilizium.
Es wird erfindungsgemäß deshalb dem Ätzmittel eine Substanz hinzugefügt, die das Ätzen in lateraler Richtung 7 unterdrückt und somit die Seitenwand 41, in Fig. 1 gestrichelt dargestellt, der erzeugten Strukturen schützt.
Erfindungsgemäß wird als Seitenwandschutzmittel SiCl4 eingesetzt.
Die Verwendung von SiCl4 zu diesem Zweck bei Aluminium­ ätzprozeßen ist bekannt. Überraschend ist jedoch, daß SiCl4 auch beim Ätzen von Polysilizium und Siliziden erfolgreich eingesetzt werden kann, wenn man bedenkt, daß SiCl4 bei diesen Prozeßen als eines der Endprodukte entsteht.
Zu beachten ist, daß die seitenwandschützende Wirkung des SiCl4 sehr stark von der eingespeisten HF-Leistung abhängt, wobei die HF-Leistung vorteilhafterweise größer als
mit einem Verhältnis von SiCl4/Cl2 größer als 3 gewählt wird. A bezeichnet die Fläche der Kathode. F bezeichnet den Gasdurchfluß.
Der Zusatz von N2 trägt zum Seitenwandschutz (Unterdrückung des Ätzens in lateraler Richtung) bei, was möglicherweise auf Bildung von Silizium-Stickstoffverbindungen oder Silizium-Kohlenstoff- Stickstoffverbindungen an der Seitenwand zurückzuführen ist. Es ist jedoch zu beachten, daß ein zu hoher Anteil von N2 im Ätzgasgemisch zu verstärkter Erosion der Fotolackmaske führen kann.
Es wurde ferner der überraschende Tatbestand gefunden, daß sich die Ätzrate von n-dotiertem Polysilizium durch Zusatz eines geringen Anteils von AlCl3 zum Ätzgasgemisch deutlich steigern läßt.
Gleichzeitig wird die Ätzrateninhomogenität über das Substrat hinweg sowie die Ätzselektivität gegenüber SiO2- Schichten verbessert.
Eine für den Zusatz von AlCl3 geeignete Vorrichtung ist in Fig. 4 schematisch wiedergegeben.
In einem Vorratsgefäß 42, das zum Beispiel aus Glas oder einer hoch korrosionsbeständiger Metall-Legierung besteht, befindet sich festes AlCl3 43, das durch die Bewegung einer Rührvorrichtung 44, die zum Beispiel magnetisch oder mechanisch angetrieben werden kann, am Zusammenbacken gehindert wird.
Durch ein Ventil 45 und ein Rohr 46 wird dampfförmiges AlCl3 in die Gasleitung 47 zur oberen Elektrode und von dort in den Reaktionsraum geleitet. Mit dem Pfeil 48 ist das einströmende Gasgemisch bezeichnet, Pfeil 49 bezeichnet das Gasgemisch mit Zusatz von AlCl3, das zur oberen Elektrode, siehe Fig. 3, strömt.
Das Vorratsgefäß wird mittels einer geeigneten Heizein­ richtung, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, auf beispielsweise 35°C erwärmt. Die gleiche Aufheizung erfährt das Ventil 45. Hingegen werden das Rohr 46 und die Gaszuleitung 47 zur Verhinderung der Kondensation des AlCl3 auf eine um 10°C höhere Temperatur, also beispielsweise auf 45°C erhitzt.
Die erfindungsgemäßen Verfahren werden nachfolgend anhand zweier Beispiele erläutert:
Erstes Beispiel
Eine mit gehärtetem Fotolack AZ 1350 J (Produktbezeichnung des Herstellers, Firma Kalle) maskierte Schicht von n-dotiertem Polysilizium mit einem Schichtwiderstand von ca. 20 Ohm pro Quadrat (20 Ω/) wurde mit folgenden Verfahrensparametern geätzt:
  • - 50 sccm SiCl4,
  • - 15 sccm Cl2,
  • - 10 sccm N2,
  • - Zusatz von AlCl3,
  • - Temperatur im AlCl3-Vorratsgefäß: 30°C,
  • - Temperatur in der Verbindungsleitung zwischen Vorrats­ gefäß und Gaszuleitungssystem für den Ätzprozeß, im Gaszuleitungssystem für den Ätzprozeß, in der oberen Elektrode: 40°C,
  • - Temperatur in der unteren Elektrode: 20°C,
  • - Elektrodenabstand: 55 mm,
  • - Durchmesser der unteren Elektrode: 240 mm,
  • - Druck in der Prozeßkammer: 0,16 mbar,
  • - HF: 13,56 MHz,
  • - HF-Leistung: 300 W,
  • - dc-Spannung an der unteren Elektrode: ca. 310 V.
Ergebnis:
  • - Polysiliziumätzrate: 550 nm/min
  • - Ätzratenselektivität zu thermisch erzeugtem SiO2: 22
    (Anmerkung: thermisch erzeugtes SiO2 ist die unterliegende Schicht. Die Ätzratenselektivität von 22 bedeutet, daß die zu ätzende Schicht um den Faktor 22 schneller geätzt wird als die angegebene Referenzschicht)
  • - Ätzrateninhomogenität über 4 Zoll-Scheibe: plus/minus 4%
  • - Profil: ca. 90° bei 70% Überätzzeit
    (Anmerkung: Profil von 90° bedeutet, daß die Seitenwand des geätzten Grabens senkrecht ist. Die Angabe der Winkelgrade bezieht sich also auf die Neigung der Seitenwand. Überätzzeit ist die Ätzzeit nach dem erkannten Endpunkt oder anders ausgedrückt nach dem Verschwinden der zu ätzenden Schicht. Die Dauer der Überätzzeit wird in Minuten, beziehungsweise in Sekunden gemessen und auf die eigentliche Ätzzeit bezogen und in Prozent von dieser angegeben. Beispiel: Ätzzeit 100 sec., Überätzzeit 40 sec. entspricht 40%).
Zweites Beispiel:
Eine mit gehärtetem Fotolack AZ/1350 J (Produktbezeichnung des Herstellers, Firma Kalle) maskierte Polyzidschicht (300 nm n-dotiertes Polysilizium, darüber 200 nm MoSi2) mit einem Schichtwiderstand von ca. 3 Ohm pro Quadrat (3 Ω/) wurde mit folgenden Verfahrensparametern in einem Schritt geätzt:
  • - 50 sccm SiCl4
  • - 15 sccm Cl2
  • - 10 sccm N2
  • - (kein Zusatz von AlCl3)
  • - Elektrodenabstand: 55 mm
  • - Durchmesser der unteren Elektrode: 240 mm
  • - Temperatur der oberen Elektrode: 40°C
  • - Temperatur in der unteren Elektrode: 20°C
  • - Druck in der Prozeßkammer: 0,14 mbar
  • - HF: 13,56 MHz
  • - HF-Leistung: 250 W
  • - dc-Spannung an der unteren Elektrode: ca. 260 V.
Ergebnis:
Ätzrate für die Polycidschicht: 410 nm/min
Ätzratenselektivität zu thermisch erzeugtem SiO2: ca. 20 (siehe Anmerkung zum ersten Beispiel)
Ätzrateninhomogenität über 4 Zoll-Scheibe: plus/minus 4%
Profil: ca. 90° bei 70% Überätzzeit (siehe Anmerkung zum ersten Beispiel).
Die in dieser Schrift beschriebenen Verfahren eignen sich nicht nur zum Ätzen von n-dotiertem Polysilizium und von Polyzidschichten, die erstens aus n-dotiertem Polysilizium und zweitens aus MoSi2, TaSi2, TiSi2 und/oder WSi2 bestehen, sondern auch zum Ätzen von p-dotiertem Polysilizium, sowie von einkristallinem Silizium.
Ferner eignen sich die beschriebenen Verfahren auch zur Ätzung von PtSi, PdSi, CoSi2, NbSi2 und NiSi2.
Weiterhin können die Verfahren zum Ätzen der elementaren Refraktärmetalle: Mo, Ta, Ti, W, Pt, Pd, Co, Nb und Ni eingesetzt werden.
Selbstverständlich sind die erfindungsgemäßen Verfahren auch einsetzbar für die zur Ätzung von Schichten, die aus Gemischen der oben genannten Elemente und/oder chemischen Verbindungen bestehen.
Liste der Einzelteile
 1 Bereich
 2 Bereich
 3 unterliegendes Material
 4 Lackmaske, Fotolack
 5 Ausnehmung
 6 Pfeil, vertikale Richtung
 7 Pfeil, laterale Richtung
 8 Vakuumrezipient
 9 zu erhaltender Bereich der Schicht
10 zu erhaltender Bereich der Schicht
11 zu ätzende Schicht, zu strukturierende Schicht
12 Graben, zu entfernendes Material, Bereich
13 Abpumpöffnung
14 Schauglas
15 untere Elektrode
16 obere Elektrode
17 Zulauf
18 Ablauf
19 Pfeil
20 Pfeil
21 Pfeil
22 Zulauf
23 Ablauf
24 Pfeil
25 Pfeil
26 Substrat
27 Zuleitung
28 Leitung
29 Bohrung
30 Pfeil
31 Reaktionsraum
32 Gasdusche
33 Öffnung, Pfeil
34 Abstand
35 Schiebedurchführung
36 Detektor
37 Leitung
38 Linienfilter
39 Voltmesser
40 Meßgerät
41 Seitenwand
42 Gefäß
43 AlCl₃
44 Rührvorrichtung
45 Ventil
46 Rohr, Verbindungsleitung
47 Leitung, Zuleitungssystem
48 Pfeil
49 Pfeil

Claims (40)

1. Verfahren zur Behandlung von Werkstücken, beispielsweise von flachen Werkstücken in Form von Substraten, vorzugsweise von Halbleitersubstraten, durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung einer Lackmaske oder anderen Mitteln zur Abdeckung von Substraten, von dotiertem, polykristallienem Silizium, das auf einer, vorzugssweise aus SiO2 bestehenden, Unterlage angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzgase folgende Komponenten umfassen: Chlor, SiCl4, N2.
2. Verfahren zur Behandlung von Werkstücken, beispielsweise von flachen Werkstücken in Form von Substraten, vorzugsweise von Halbleitersubstraten, durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung einer Lackmaske oder anderen Mitteln zur Abdeckung von Substraten, von Mehrfachschichten (Polyziden), insbesondere Doppelschichten, bestehend aus Polysilizium und einem Silizid, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyzide mit den gleichen Prozeßgasen durchgeätzt werden.
3. Verfahren zur Behandlung von Werkstücken, beispielsweise von flachen Werkstücken in Form von Substraten, vorzugsweise von Halbleitersubstraten, durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung einer Lackmaske oder anderen Mitteln zur Abdeckung von Substraten, von Mehrfachschichten (Polyziden), insbesondere Doppelschichten, bestehend aus Polysilizium und einem Silizid, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzgase folgende Komponenten umfassen: Chlor, SiCl4, N2.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ätzgas als weitere Komponente AlCl3 zugesetzt wird, und zwar vorzugsweise in geringen Mengen.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßgase folgende Gaskomponenten umfassen: 50 sccm SiCL4, 15 sccm CL2, 10 sccm N2, daß das Verfahren bei einem Druck von 0,08 bis 0,2 mbar durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßgase folgende Gaskomponenten umfassen: 50 sccm SiCL4, 15 sccm CL2, 10 sccm N2, daß das Verfahren bei einem Druck von 0,14 mbar durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßgase folgende Gaskomponenten umfassen: 50 sccm SiCL4, 15 sccm CL2, 10 sccm N2, daß das Verfahren bei einem Druck von 0,16 mbar durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Silizidschicht TaSi2 oder ein Gemisch, das TaSi2 enthält, aufweist.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Silizidschicht MoSi2 oder ein Gemisch, das MoSi2 enthält, aufweist.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Silizidschicht WSi2 oder ein Gemisch, das WSi2 enthält, aufweist.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Silizidschicht TiSi2 oder ein Gemisch, das TiSi2 enthält, aufweist.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Silizidschicht zwei oder mehrere der folgenden Verbindungen enthält: TaSi2, MoSi2, WSi2, TiSi2.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine HF-Leistung eingespeist wird, die größer als ist, wobei A die Fläche der Kathode und F den Gasdurchfluß bezeichnen.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasdurchflußverhältnis von SiCl4 zu Cl2, ausgedrückt in sccm (standard cubic centimeters per minute), größer als 3 zu 1 ist.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine HF-Leistung eingespeist wird, die größer als ist (A bezeichnet die Fläche der Kathode. F bezeichnet den Gasdurchfluß), daß das Gasdurchflußverhältnis von SiCl4 zu Cl2, ausgedrückt in sccm, größer als 3 ist, daß das Verfahren bei einem Druckniveau von 0,08 bis 0,2 mbar abläuft.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Materia­ lien bzw. Verfahrenparameter eingesetzt werden:
  • - Maske aus gehärtetem Fotolack AZ 1350 J, (Produktbezeichnung des Herstellers, Firma Kalle),
  • - Maskierte Schicht: n-dotiertes Polysilizium mit einem Schichtwiderstand von ca. 20 Ohm pro Quadrat (20 Ω/).
  • - 50 sccm SiCl4,
  • - 15 sccm Cl2,
  • - 10 sccm N2,
  • - Zusatz von AlCl3,
  • - Temperatur im AlCl3-Vorratsgefäß: 30°C,
  • - Temperatur in der Verbindungsleitung zwischen Vorrats­ gefäß und Gaszuleitungssystem für den Ätzprozeß, im Gaszuleitungssystem für den Ätzprozeß, in der oberen Elektrode: 40°C,
  • - Temperatur in der unteren Elektrode: 20°C,
  • - Elektrodenabstand: 55 mm,
  • - Durchmesser der unteren Elektrode: 240 mm,
  • - Druck in der Prozeßkammer: 0,16 mbar,
  • - HF: 13,56 MHz,
  • - HF-Leistung: 300 W,
  • - dc-Spannung an der unteren Elektrode: ca. 310 V.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Materia­ lien bzw. Verfahrenparameter eingesetzt werden:
  • - Maske aus gehärtetem Fotolack AZ/1350 J (Produktbezeichnung des Herstellers, Firma Kalle).
  • - Maskierte Schicht: Polyzidschicht (bestehend aus: erstens: 300 nm n-dotiertes Polysilizium, zweitens: darüber 200 nm, MoSi2 mit einem Schichtwiderstand von ca. 3 Ohm pro Quadrat (3 Ω/).
  • - 50 sccm SiCl4
  • - 15 sccm Cl2
  • - 10 sccm N2
  • - (kein Zusatz von AlCl3)
  • - Elektrodenabstand: 55 mm
  • - Durchmesser der unteren Elektrode: 240 mm
  • - Temperatur der oberen Elektrode: 40°C
  • - Temperatur in der unteren Elektrode: 20°C
  • - Druck in der Prozeßkammer: 0,14 mbar
  • - HF: 13,56 MHz
  • - HF-Leistung: 250 W
  • - dc-Spannung an der unteren Elektrode: ca. 260 V.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Ätzen von p-dotiertem Polysilizium eingesetzt wird.
19. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Ätzen von einkristallinem Silizium eingesetzt wird.
20. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Ätzen von PtSi eingesetzt wird.
21. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Ätzen von PdSi eingesetzt wird.
22. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Ätzen von CoSi2 eingesetzt wird.
23. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Ätzen von NbSi2 eingesetzt wird.
24. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Ätzen von NiSi2 eingesetzt wird.
25. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Ätzen von Mo eingesetzt wird.
26. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Ätzen von Ta eingesetzt wird.
27. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Ätzen von Ti eingesetzt wird.
28. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Ätzen von W eingesetzt wird.
29. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Ätzen von Pt eingesetzt wird.
30. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Ätzen von Pd eingesetzt wird.
31. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Ätzen von Co eingesetzt wird.
32. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Ätzen von Nb eingesetzt wird.
33. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Ätzen von Ni eingesetzt wird.
34. Vorrichtung zur Durchführung einer oder mehrerer Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Vakuumrezipienten, in dem eine untere und eine obere Elektrode angeordnet sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die obere Elektrode (16) in Hinsicht auf die untere Elektrode (15) so bewegbar, insbesondere verschiebbar, angeordnet ist, daß ein vorbestimmter Abstand (35) zwischen der oberen Elektrode und der unteren Elek­ trode als Verfahrensparameter eingestellt werden kann.
35. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegan­ genen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor (36) vorgesehen ist, der die Intensität des von einem optischen Linienfilter (38) transmittierten Lichts während des Verfahrens mißt.
36. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die 258-nm-Emis­ sionslinie des Plasmas während des Verfahrens gemessen wird.
37. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Lichts der 258-nm-Emissionslinie, insbesondere der markante Anstieg der Intensität gegen Ende des Ätzprozesses festgestellt wird.
38. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegan­ genen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gefäß (42) zur Aufnahme von AlCl3 vorgesehen ist, das beheizbar ist, und an das Zuleitungssystem (47) für die Prozeßgase des Ätzprozesses über eine Verbindungsleitung (46) anschließbar angeordnet ist.
39. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Verbindungleitung und des Zuleitungssystems 10% höher liegt als die Temperatur des Gefäßes zur Aufnahme von AlCl3 und der mit diesem Gefäß unmittelbar verbundenen Komponenten.
40. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gefäßes zur Aufnahme von AlCl3 und der mit diesem Gefäß unmittelbar verbundenen Komponenten bei ca. 30 bis 35°C liegt, daß die Temperatur der Verbindungsleitung und des Zuleitungssystems bei ca. 40 bis 45°C liegt.
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