DE4010672A1

DE4010672A1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung von werkstuecken durch reaktives ionenaetzen

Info

Publication number: DE4010672A1
Application number: DE19904010672
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Gruenwald; Wolfram Dr Maass; Michael Dr Geisler
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1990-04-03
Filing date: 1990-04-03
Publication date: 1991-10-10

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Werkstücken, beispielsweise von flachen Werkstücken in Form von Substraten, vorzugsweise von Halbleitersub straten, durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung einer Lackmaske oder anderer Mittel zur Abdeckung von Substraten, wobei eine erste, vorzugsweise oben angeord nete Elektrode und eine zweite, vorzugsweise unten angeordnete Elektrode, eingesetzt werden.

Die genannten Halbleitersubstrate finden Verwendung als Bestandteile mikroelektronischer Schaltkreise. In ihnen werden Leiterbahnen, Gate-Elektroden und andere Funk tionsteile 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 der Isolations schicht und gegenüber der Maske und hohe Maßhaltigkeit zu erreichen.

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. Daß 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.

Zum Stand der Technik gehören Hochleistungskatoden, bei denen die Kollisions- und damit Ionisationswahrschein lichkeit der Teilchen durch das Verdichten des Plasmavo lumens mit Hilfe eines Magnetfelds vor der Katode erhöht wird. Bekanntlich werden geladene Teilchen, deren Geschwindigkeit senkrecht zum Magnetfeld gerichtet ist, zu Spiralbahnen um die Feldlinien gezwungen. Dadurch wird ihr Weg im Gasraum verlängert und so die Stoßwahr scheinlichkeit und damit die Ionisierung der Gasatome erhöht.

Eine solche Hochleistungskatode wird beispielsweise in der deutschen Patentschrift 24 17 288 beschrieben. Die dort beschriebene Katodengattung ist in Fachkreisen unter dem Ausdruck "Magnetron" bekannt geworden.

In der genannten deutschen Patentschrift wird zwar eine Katodenzerstäubungsvorrichtung beschrieben, jedoch ist das Bauprinzip der Katode für Ätzverfahren im wesentlichen das gleiche.

Der Erfindung liegen folgende Aufgaben zugrunde:

Es soll ein anisotropes Ätzen erzielt werden bei optimaler Schonung des Substrats und bei hoher Ätzrate.

Es gehört weiterhin zur Aufgabenstellung, daß Voraus setzungen für die Anwendung von Niederdruckverfahren geschaffen werden, wodurch es nur zu einer geringen Partikelerzeugung kommt.

Weiterhin soll ein anisotropes Ätzen ohne Seitenwand passivierung möglich sein. Die Belastung der Substrate durch Ionenbeschuß soll reduziert werden, und zwar unter Beihaltung einer hohen Ätzrate.

Die gestellten Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste Elektrode so ausgestaltet und angeordnet ist, daß sie eine vorzugsweise hohe Plasmaver dichtung herbeiführt, daß das Prozeßgas oder das Prozeß gasgemisch durch die erste Elektrode in die Plasmaverdich tungszone (Plasmavolumen) geleitet und dort aktiviert, insbesondere ionisiert und fragmentiert, wird, daß eine sich zwischen dem Plasmavolumen und der zweiten Elektrode einstellende Beschleunigungsspannung, die für die kine tische Energie der am Ionenbeschuß des auf der zweiten Elektrode positionierten Werkstücks beteiligten Ionen maßgebend ist, durch Variation der Hochfrequenzleistung (HF- oder RF-Leistung), die in die zweite Elektrode eingespeist wird, gesteuert wird.

In analoger Weise kann die sich zwischen dem Plasmavolumen und der zweiten Elektrode einstellende Beschleunigungs spannung, die für die kinetische Energie der am Ionenbe schuß des auf der zweiten Elektrode positionierten Werkstücks beteiligten Ionen maßgebend ist, durch Varia tion der Mittelfrequenzleistung (MF-Leistung), die in die zweite Elektrode eingespeist wird, gesteuert werden.

Zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Grundgedanken sei auf folgendes hingewiesen:

Das Wesen des reaktiven Ionenätzens ist es, daß nicht nur unter Zuhilfenahme chemischer Reaktionen geätzt wird, sondern daß unterstützend Ionen in Richtung auf das Substrat hin beschleunigt werden. Die Höhe der kinetischen Energie der beschleunigten Ionen ist dabei der wesentliche zu steuernde Einflußfaktor für die Ätzung. Ist diese Energie zu hoch, so erfolgt eine unerwünschte Ionenimplan tation im Substrat, bzw. Erzeugung von Fehlstellen im Substrat. Diese Fehlstellen gefährden die gewünschten Funktionen des geätzten Substrats.

Es gehört daher zur Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, die es ermöglicht, die Höhe der Beschleunigungsspannung für die Ionen zu variieren. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die Leistung, nämlich die RF- oder MF-Leistung, an der unteren Elektrode variiert wird.

Die Höhe der Leistung hat Einfluß auf die Höhe der Beschleunigungsspannung der Ionen und damit auf die Schonung des Substrats.

Der überraschende Vorteile bringende Trick, der bei der Erfindung angewendet wird, besteht im Gegensatz zu Verfahren und Vorrichtungen des Standes der Technik darin, daß das Reaktionsgas zunächst durch eine Zone hoher Plasmadichte hindurchgeführt wird, wo es zu einem hohen Anteil ionisiert und fragmentiert wird.

Das Substrat, z. B. die Siliziumscheibe, befindet sich dagegen außerhalb dieses intensiven Magnetronplasmas. Die an die Substratelektrode angelegte HF- oder MF-Spannung hat die Funktion, Ionen mit gewünschter Energie aus diesem Plasma herauszuziehen und auf das Substrat zu lenken.

Ändert man die Leistung einer an die unteren Elektrode angelegten Megahertzspannung, so variiert man damit die Vorspannung des Substrats gegenüber dem Volumen des Plasmas. Diese Vorspannung wird in Fachkreisen als DC-Bias-Spannung bezeichnet. Diese DC-Bias-Spannung stellt sich je nach Versuchsparameter, z. B. Druck, praktisch frei ein und kann nur indirekt über die Leistungsein speisung in die untere Elektrode gesteuert werden.

Im Falle von Kilohertzfrequenzen von beispielsweise 50 bis 450 Kilohertz liegen die Verhältnisse anders. Die Frequenzen sind hinreichend niedrig, so daß positive Ionen ihnen folgen können. Das bedeutet, daß die Ausgangsspitzenspannung dieser Kilohertzfrequenzen direkt auf die Ionen wirken, so daß sie ein direktes Maß sind für die kinetische Energie, mit der die Ionen auf das Substrat aufschlagen.

Daraus folgend wird weiterhin im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist für die Steuerung der in die zweite Elektrode eingespeisten Hochfrequenzleistung und damit für die sich zwischen dem Plasmavolumen und dem Substrat einstellenden Vorspan nung (DC-Bias).

Alternativ kann vorgesehen werden, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist für die Steuerung der in die zweite Elektrode eingespeisten Mittelfrequenzleistung und damit für die Ausgangsspitzenspannung dieser Frequenz, wobei die Ausgangsspitzenspannung direkt auf die Ionen wirkt und somit ein direktes Maß für die kinetische Energie ist, mit der die Ionen auf das Substrat aufschlagen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die erste, vorzugsweise oben angeordnete Elektrode nach der Bauart einer an sich bekannten Magnetronelektrode ausgebildet.

Es wird weiterhin vorgeschlagen, daß die erste, vorzugs weise oben angeordnete Elektrode Kanäle und Austrittsöff nungen für die Prozeßgase aufweist und insbesondere als Gasdusche ausgebildet ist.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Trioden anordnung gewählt, wobei das Reaktorgehäuse als dritte Elektrode ausgebildet ist, so daß erste Elektrode, zweite Elektrode und Gehäuse diese Triodenanordnung bilden. Das Gehäuse als dritte Elektrode ist dabei geerdet.

In mehreren Verfahrensvarianten kann vorgesehen werden, daß die erste, vorzugsweise oben angeordnete Elektrode mit einer Leistung mit einer Frequenz von 13,56 MHz, 27,12 MHz, 40,68 MHz oder 81,36 MHz versorgt wird.

Bei der Anwendung eines mit HF arbeitenden Verfahrens wird vorgeschlagen, daß die zweite, vorzugsweise unten angeordnete Elektrode mit einer Leistung mit einer Frequenz von 13,56 MHz versorgt wird.

Bei der Anwendung von MF kann vorgesehen werden, daß die zweite, vorzugsweise unten angeordnete Elektrode mit einer Leistung mit einer Frequenz von 50 bis 450 KHz versorgt wird.

Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:

Die gestellten Aufgaben werden gelöst. Es wird ein anisotropes Ätzen bei optimaler Schonung des Substrats bei hoher Ätzrate erzielt. Es kann ein Niederdruckver fahren angewendet werden, wodurch es nur zu einer geringen Partikelerzeugung kommt. Anisotropes Ätzen ist auch ohne Seitenwandpassivierung möglich. Außerdem werden die Substrate nicht unnötig durch Ionenbeschuß belastet. Trotzdem ist die Ätzrate hoch.

Weitere Einzelheiten der Erfindung, der Aufgabenstellung und der erzielten Vorteile sind der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zu entnehmen.

Dieses Ausführungsbeispiel und Nachteile des Standes der Technik werden anhand von drei 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.

Anhand der Fig. 1 und 2 soll die Problematik des anisotropen Ätzens beschrieben werden.

Das in den Fig. 1 und 2 gezeigte System besteht von oben nach unten aufgezählt aus der Lackmaske 4 mit Ausnehmungen von denen eine dargestellt und mit 5 bezeich net ist, aus der zu ätzenden Schicht 11 und der unteren Schicht 3, beispielsweise Isoliermaterial.

Die gewünschte, spätere Struktur der zu ätzenden Schicht 11 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, es wird durch die Seitenwände 13 begrenzt.

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 abgedeckten Bereichen 12 der Schicht (Fig. 1), nicht aber unterhalb der Lackmaske (Fig. 2) statt findet.

In Fig. 2 sind die Bereiche unterhalb der Lackmaske mit 1, 2 bezeichnet.

Mit den Pfeilen 6 ist die gewünschte Anisotropie, das heißt hier, die anzustrebende vertikale Ätzrichtung bezeichnet. Die Pfeile 7 stellen die nicht gewünschten lateralen Ätzrichtungen dar.

Eine bevorzugte Reaktoranordnung ist in Fig. 3 darge stellt und wird im folgenden erläutert.

Ein Vakuumrezipient 8, der über die Leitung 14 geerdet ist, mit einer Abpumpöffnung 17 ist mit einer unteren Elektrode 15 und mit einer oberen Elektrode 16 ausgestat tet, die beide scheibenförmig ausgebildet sind.

Die Elektroden stehen sich planparallel gegenüber. Beide Elektroden sind gegenüber dem Vakuumrezipienten 8 elek trisch isoliert. Die Isoliervorrichtungen tragen die Bezugsziffern 18, 19.

Die Anordnung, bestehend aus oberer Elektrode und unterer Elektrode sowie Vakuumrezipient bilden eine Triode.

Die obere Elektrode ist als an sich bekanntes Magnetron, siehe beispielsweise deutsche Patentschrift 24 17 288, ausgebildet. Mit 20 ist die Zuleitung für die Hochfre quenzeinspeisung für die obere Elektrode gezeigt. 21 bezeichnet eine Gasleitung, die mit einem Kanalsystem 22 in der oberen Elektrode in Verbindung steht. Dieses Kanalsystem in der oberen Elektrode führt das Prozeßgas zu einer Anzahl von Öffnungen, von denen zwei in Fig. 3 dargestellt und mit 23, 24 bezeichnet sind.

Die Pfeile 25, 26 symbolisieren das austretende Gas. Diese Anordnung könnte man als Gasmagnetron bezeichnen, da sie eine Magnetronelektrode und eine Gasdusche in sich vereinigt.

Das Gas gelangt, und dies wird durch die Pfeile 25, 26 verdeutlicht, in die Zone konzentrierten Plasmas. Die die Verdichtung des Plasmas erzeugenden magnetischen Feldlinien, siehe hierzu oben genannte Patentschrift, sind in Fig. 3 angedeutet. Eine Feldlinie trägt die Ziffer 27.

Die untere Elektrode wird durch die Zuleitung 28 in einer ersten Ausführungsform mit Hochfrequenzleistung und in einer zweiten Ausführungsform mit einer Mittelfrequenz leistung versorgt.

Die Steuerung der eingespeisten Leistung erfolgt durch die Vorrichtung 29.

Die Höhe der Leistung hat Einfluß auf die Höhe der Beschleunigungsspannung, die auf die Ionen einwirkt, und damit auf die Schonung des Substrats.

Das Reaktionsgas wird, wie durch die Pfeile 25, 26 dargestellt, zunächst durch eine Zone hoher Plasmadichte hindurchgeführt, wo es zu einem hohen Anteil ionisiert und fragmentiert wird. Das Substrat 30, beispielsweise eine Siliziumscheibe, befindet sich außer halb dieses intensiven Magnetronplasmas.

Die an die Substratelektrode 15 angelegte HF- oder MF-Spannung hat die Funktion, Ionen mit gewünschter Energie aus diesem Plasma herauszuziehen und auf das Substrat zu lenken.

Ändert man die HF-Leistung einer an die unteren Elektrode angelegten Megahertzspannung, so variiert man damit die Vorspannung des Substrats gegenüber dem Volumen des Plasmas. Man variiert die sogenannte DC-Bias-Spannung. Diese DC-Bias-Spannung stellt sich je nach Versuchspara meter, z. B. Druck, praktisch frei ein und kann nur indirekt gesteuert werden.

Im Falle des Arbeitens mit MF-Leistung, beispielsweise im Falle des Arbeitens mit der Kilohertzfrequenz von 50 bis 450 Kilohertz, liegen die Verhältnisse anders. Diese Frequenzen sind hinreichend niedrig, so daß positive Ionen ihr folgen können. Das bedeutet, daß die Ausgangs spitzenspannung dieser Kilohertzfrequenzen direkt auf die Ionen wirken, so daß sie ein direktes Maß sind für die kinetische Energie, mit der die Ionen auf das Substrat 30 aufschlagen.

Liste der Einzelteile

1 Bereich
2 Bereich
3 Isoliermaterial, Isolationsschicht
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 zu entfernendes Material
13 Seitenwand
14 Leitung
15 untere Elektrode, Substratelektrode
16 obere Elektrode
17 Abpumpöffnung
18 Isoliervorrichtung
19 Isoliervorrichtung
20 Leitung
21 Leitung
22 Kanalsystem
23 Öffnung
24 Öffnung
25 Pfeil
26 Pfeil
27 Feldlinie
28 Leitung
29 Steuervorrichtung
30 Substrat

Claims

1. Verfahren zur Behandlung von Werkstücken, beispiels weise von flachen Werkstücken in Form von Substraten, vorzugsweise von Halbleitersubstraten, durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung einer Lackmaske oder anderer Mittel zur Abdeckung von Substraten, wobei eine erste, vorzugsweise oben angeordnete Elektrode und eine zweite, vorzugsweise unten angeordnete Elektrode, eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode so ausgestaltet und angeordnet ist, daß sie eine vorzugs weise hohe Plasmaverdichtung herbeiführt, daß das Prozeß gas oder das Prozeßgasgemisch durch die erste Elektrode in die Plasmaverdichtungszone (Plasmavolumen) geleitet und dort aktiviert, insbesondere ionisiert und fragmen tiert, wird, daß eine sich zwischen dem Plasmavolumen und der zweiten Elektrode einstellende Beschleunigungs spannung, die für die kinetische Energie der am Ionen beschuß des auf der zweiten Elektrode positionierten Werkstücks beteiligten Ionen maßgebend ist, durch Variation der Hochfrequenzleistung (HF- oder RF-Leistung), die in die zweite Elektrode eingespeist wird, gesteuert wird.

2. Verfahren zur Behandlung von Werkstücken, beispiels weise von flachen Werkstücken in Form von Substraten, vorzugsweise von Halbleitersubstraten, durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung einer Lackmaske oder anderer Mittel zur Abdeckung von Substraten, wobei eine erste, vorzugsweise oben angeordnete Elektrode und eine zweite, vorzugsweise unten angeordnete Elektrode, eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode so ausgestaltet und angeordnet ist, daß sie eine vorzugs weise hohe Plasmaverdichtung herbeiführt, daß das Prozeß gas oder das Prozeßgasgemisch durch die erste Elektrode in die Plasmaverdichtungszone (Plasmavolumen) geleitet und dort aktiviert, insbesondere ionisiert und fragmen tiert, wird, daß eine sich zwischen dem Plasmavolumen und der zweiten Elektrode einstellende Beschleunigungs spannung, die für die kinetische Energie der am Ionen beschuß des auf der zweiten Elektrode positionierten Werkstücks beteiligten Ionen maßgebend ist, durch Variation der Mittelfrequenzleistung (MF-Leistung), die in die zweite Elektrode eingespeist wird, gesteuert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuervor richtung (29) vorgesehen ist für die Steuerung der in die zweite Elektrode (15) eingespeisten Hochfrequenzlei stung und damit für die sich zwischen dem Plasmavolumen und dem Substrat (30) einstellenden Vorspannung (DC-Bias).

4. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuervor richtung (29) vorgesehen ist für die Steuerung der in die zweite Elektrode (15) eingespeisten Mittelfrequenz leistung und damit für die Ausgangsspitzenspannung dieser Frequenz, wobei die Ausgangsspitzenspannung direkt auf die Ionen wirkt und somit ein direktes Maß für die kinetische Energie ist, mit der die Ionen auf das Substrat (30) aufschlagen.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegan genen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, vorzugsweise oben angeordnete Elektrode (16) nach der Bauart einer an sich bekannten Magnetronelektrode ausge bildet ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegan genen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, vorzugsweise oben angeordnete Elektrode (16) Kanäle und Austrittsöffnungen (23, 24) für die Prozeßgase aufweist und insbesondere als Gasdusche ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegan genen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktor gehäuse (8) als dritte Elektrode ausgebildet ist, so daß erste Elektrode, zweite Elektrode und Gehäuse eine Triodenanordnung bilden, wobei das Gehäuse als dritte Elektrode geerdet ist.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, vorzugs weise oben angeordnete Elektrode mit einer Leistung mit einer Frequenz von 13,56 MHz versorgt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, vorzugs weise oben angeordnete Elektrode mit einer Leistung mit einer Frequenz von 27,12 MHz versorgt wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, vorzugs weise oben angeordnete Elektrode mit einer Leistung mit einer Frequenz von 40,68 MHz versorgt wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, vorzugs weise oben angeordnete Elektrode mit einer Leistung mit einer Frequenz von 81,36 MHz versorgt wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite, vorzugsweise unten angeordnete Elektrode mit einer Leistung mit einer Frequenz von 13,56 MHz versorgt wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite, vorzugsweise unten angeordnete Elektrode mit einer Leistung mit einer Frequenz von 50 bis 450 KHz versorgt wird.