DE4132565A1 - Downstream plasma etching with microwave excitation - involves using gas pressure levels, so eliminating local dependence of etching rates for mfg. integrated semiconductor circuits - Google Patents
Downstream plasma etching with microwave excitation - involves using gas pressure levels, so eliminating local dependence of etching rates for mfg. integrated semiconductor circuitsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum isotropen Downstream Plasmaätzen mit Mikrowellenanregung bei der Herstellung inte grierter Halbleiterschaltungen.The invention relates to a method for isotropic downstream Plasma etching with microwave excitation during manufacture inte semiconductor circuits.
Ein Downstream-Plasmaätzverfahren mit Mikrowellenanregung ist beispielsweise aus dem Artikel "Downstream Plasma Etching and Stripping" von J.M.Cook, Solid State Technology/April 1987, S. 147 bis 151, bekannt. Allgemein wird zum Stand der Ätztech nik als einem der grundlegenden Prozesse, die in der Prozeß folge zur Herstellung von hochintegrierten Schaltungen aus Si liziumsubstraten immer wieder verwendet werden, auf Kapitel 5 des Buches "Technologie hochintegrierter Schaltungen", 1988, von D. Widmann, H. Mader und H. Friedrich, hingewiesen.A downstream plasma etching process with microwave excitation is for example from the article "Downstream Plasma Etching and Stripping "by J.M. Cook, Solid State Technology / April 1987, Pp. 147 to 151. In general, the state of Ätztech nik as one of the basic processes involved in the process follow for the production of highly integrated circuits made of Si Lithium substrates are used again and again, on Chapter 5 of the book "Technology of Highly Integrated Circuits", 1988, by D. Widmann, H. Mader and H. Friedrich.
Obwohl die Fortschritte bei der Integrationsdichte in der Halbleitertechnologie den zunehmenden Einsatz von anisotropen plasmaunterstützen (Trocken-)Ätzverfahren zur maßhaltigen Übertragung einer Maskenstruktur in eine darunterliegende Schicht erfordern, wird auch das rein chemische, also iso trope, plasmaunterstützte Ätzen an vielen Stellen der Her stellungsprozesse in der Mikroelektronik eingesetzt. Als ty pische Einsatzfelder seien beispielsweise das beschädigungs freie ganzflächige Strippen von Schichten auf der Scheiben vorder- oder Rückseite, aber auch das Strukturieren von Schichten, etwa um eine spezielle Form der Ätzflanke zu er reichen, genannt. Besonders geeignet für derartige Ätzungen sind chemische Downstream-Verfahren, bei denen die Generierung angeregter neutraler Teilchen in bekannter Weise in einer Plas magasentladung räumlich getrennt von der in einer Reaktions kammer durch Diffusion der Reaktivteilchen stattfindenden, rein chemischen Ätzreaktion erfolgt.Although advances in integration density in the Semiconductor technology the increasing use of anisotropic Plasma-assisted (dry) etching processes for dimensional accuracy Transfer of a mask structure into an underlying one The layer will also require purely chemical, i.e. iso tropic, plasma-assisted etching in many places of the manufacturer positioning processes used in microelectronics. As ty Typical fields of application are damage free stripping of layers on the panes front or back, but also the structuring of Layers, for example to create a special form of the etching flank range, called. Particularly suitable for such etchings are chemical downstream processes in which the generation excited neutral particles in a known manner in a plasma magas discharge spatially separated from that in a reaction chamber taking place by diffusion of the reactive particles, purely chemical etching reaction takes place.
Es ist auch bekannt, daß bei der Anregung durch Mikrowellen, die typischerweise von einem Generator mit einer Arbeitsfre quenz von 2,45 GHz erzeugt werden, vergleichsweise hochange regte neutrale Teilchen (Radikale) generiert werden können. Die mikrowellenenergiegespeiste Generierung derartiger Teil chen führt zu einer, verglichen mit der üblichen Hochfrequenz entladung bei typischerweise 13,5 MHz, höheren Effektivität und Lebensdauer der Ätzspezies. Dies ermöglicht es, die Plas maentladungszone hinreichend weit vom zu ätzenden Substrat anzuordnen, so daß keine der im Plasma immer auch mit entste henden geladenen energiereichen Teilchen mehr das Substrat erreichen, sondern vorher neutralisiert werden. Letzteres ist sehr erwünscht, um die elektrische und thermische Belastung des Substrats möglichst gering zu halten und damit eine Be schädigung auszuschließen.It is also known that when excited by microwaves, which are typically operated by a generator with a working frequency frequency of 2.45 GHz can be generated, comparatively high range excited neutral particles (radicals) can be generated. The microwave energy-fed generation of such part Chen leads to one, compared to the usual high frequency Discharge at typically 13.5 MHz, higher effectiveness and lifetime of the etching species. This enables the plas Ma discharge zone sufficiently far from the substrate to be etched to be arranged so that none of them always arise in the plasma charged charged energy particles more the substrate achieve, but be neutralized beforehand. The latter is very desirable to the electrical and thermal load to keep the substrate as low as possible and thus a loading exclude damage.
Es hat sich jedoch herausgestellt, daß im zur Verfügung stehen den Arbeitsdruckbereich von etwa 13 bis knapp 300 Pa beim rein chemischen Ätzen mit Mikrowellenanregung sogenannte Mikro loadingeffekte auftreten, dergestalt, daß die lokale Ätzrate abhängig ist von der offenen Fläche bzw. der Lackbedeckung in unmittelbarer Umgebung der Struktur. Dies führt dazu, daß die Maßhaltigkeit der Struktur, die beim isotropen Ätzen bekannt lich ohnehin eine kritische Größe ist, aufgrund dieses Effekts vollends nicht mehr handhabbar und tolerierbar wird. Eine teilweise Lösung dieser Schwierigkeit durch Anwendung eines ionenunterstützten Plasmaätzverfahrens ohne Einsatz eines Mikrowellendownstreams ist zwar möglich, jedoch wegen der kür zeren Reichweite der dabei angeregten Ätzspezies wiederum problematisch. Da die Entfernung zur Reaktionskammer nicht mehr ausreichend groß gewählt werden kann, wäre bei einem derartigen Verfahren das Substrat noch teilweise dem Plasma ausgesetzt, was einen Ionen- und Elektronenbeschuß und die damit verbundene Schädigung hochempfindlicher Substratschich ten zur Folge hätte.However, it has been found that are available the working pressure range from about 13 to almost 300 Pa when clean chemical etching with microwave excitation so-called micro loading effects occur such that the local etch rate depends on the open area or the paint coverage in immediate environment of the structure. This leads to the fact that Dimensional accuracy of the structure, which is known during isotropic etching is anyway a critical factor due to this effect completely unmanageable and tolerable. A partially solving this difficulty by using a ion-assisted plasma etching process without the use of Microwave downstreams are possible, but because of the short range of the excited etching species problematic. Because the distance to the reaction chamber is not more could be chosen large enough for one such processes, the substrate is still partially plasma exposed what an ion and electron bombardment and the associated damage to highly sensitive substrate layers would result.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber den genannten Nachteilen verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem insbesondere der Mikroloadingeffekt vermieden werden kann.The present invention is based on the object improved process compared to the disadvantages mentioned of the type mentioned above, with which in particular the Microloading effect can be avoided.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Arbeitsdruck der Ätzgase in der Ätzanlage so auf einen Wert in einem Bereich unterhalb etwa 13, insbesondere von etwa 4 bis 0,13 Pa eingestellt wird, daß die Ätzung auf der zu ätzenden Substratschicht mit einer von der jeweiligen unmittelbaren Umgebung, insbesondere dem Vor handensein von freien bzw. mit Lack bedeckten Stellen, unab hängigen lokalen Ätzrate erfolgt. Vorteilhafterweise wird der Arbeitsdruck in einem Bereich von 1,0 bis 1,5 Pa, insbesondere auf etwa 1,3 Pa eingestellt.This task is carried out in a method of the aforementioned Art solved in that the working pressure of the etching gases in the Etching system to a value in a range below approximately 13, in particular from about 4 to 0.13 Pa, that the etching on the substrate layer to be etched with one of the respective immediate surroundings, especially the previous one presence of free or areas covered with varnish, independent dependent local etching rate. Advantageously, the Working pressure in a range of 1.0 to 1.5 Pa, in particular set to about 1.3 Pa.
Der erfindungsgemäß zu verwendende Arbeitsdruckbereich war bisher höchstens mit aufwendigen, magnetfeldunterstützen Plas maätzverfahren, beispielsweise dem ECR-Verfahren, zugänglich. In der am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung einge reichten Patentanmeldung Nr. . . mit dem Titel "Verfahren zur Generierung angeregter neutraler Teilchen für Ätz- und Abscheideprozesse in der Halbleitertechnologie mittels einer mikrowellenenergiegespeisten Plasmaentladung", die hiermit in die Offenbarung einbezogen wird, ist jedoch eine Mikrowellen quelle beschrieben, bei der durch spezielle Dimensionierung, Abstimmung und durch Anlegen eines Magnetfeldes innerhalb eines Hohlleitersystems die Anregungsdichte im Plasma stark erhöht wird. Dadurch ist dieses Verfahren auch bei relativ niedrigem Druck (unterhalb 1,3 Pa) noch einsetzbar. Das zi tierte Verfahren liefert im genannten niedrigen Druckbereich Ätzraten, wie sie normalerweise nur mit eine Größenordnung höheren Arbeitsdrücken erzielt werden können.The working pressure range to be used according to the invention was So far, at most with complex, magnetic field-supported Plas etching process, for example the ECR process, accessible. In the same day as the present application filed patent application no. . entitled "Procedure for the generation of excited neutral particles for etching and Deposition processes in semiconductor technology using a microwave energy-fed plasma discharge ", which hereby in however, the disclosure is incorporated is a microwave described source, in which through special dimensioning, Tuning and by applying a magnetic field inside of a waveguide system, the excitation density in the plasma is strong is increased. This makes this procedure also relative low pressure (below 1.3 Pa) can still be used. The zi process delivers in the low pressure range mentioned Etching rates, as usually only with an order of magnitude higher working pressures can be achieved.
Die Erfindung wird im folgenden, unter anderem anhand eines Ausführungsbeispieles, noch näher erläutert.The invention is described below, inter alia on the basis of a Embodiment, explained in more detail.
Nachfolgend werden einige wichtige Verfahrensparameter für
eine an sich bereits bekannte isotrope Ätzung von hochdotier
tem Polysilizium mit einer Ätzgasmischung aus Tetrafluorkohlen
stoff und Sauerstoff genannt.
Gasflüsse: 100 sccm CF4; 30 sccm O2
Druck: 1,3 Pa
Ätzrate: 200 nm/minSome important process parameters for an isotropic etching of highly doped polysilicon with an etching gas mixture of tetrafluorocarbon and oxygen, which is already known per se, are mentioned below.
Gas flows: 100 sccm CF 4 ; 30 sccm O 2
Pressure: 1.3 Pa
Etching rate: 200 nm / min
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann durch Einstellung des Arbeitsdruckes innerhalb des genannten, niedrigen Druckbereichs unschwer die freie Weglänge der reaktiven Teilchen groß gegen über den Strukturabmessungen gewählt werden. Dies hat zur Fol ge, daß keine lokale An- bzw. Abreicherung von Ätzspezies und Ätzprodukten unmittelbar über den Strukturen entstehen kann, d. h. ein Mikroloadingeffekt wird verhindert. Die durchgeführ ten Versuche haben gezeigt, daß bei Mikrowellenanregung ein Mikroloadingeffekt nicht nur bei zu hohem Arbeitsdruck auf tritt. Bei Verringerung des Arbeitsdruckes tritt ungefähr ab 0,5 Pa überraschenderweise ein umgekehrter Mikroloadingeffekt auf, wobei die Ätzung offenbar lokal im Bereich von Löchern in der Struktur langsamer vonstatten geht, vermutlich aufgrund einer dort eintretenden Verarmung an Ätzspezies.With the method according to the invention, by adjusting the Working pressure within the low pressure range mentioned the free path length of the reactive particles is large above the structure dimensions can be selected. This has the consequence ge that no local enrichment or depletion of etching species and Etching products can arise directly above the structures, d. H. a microloading effect is prevented. The carried out Experiments have shown that a microwave excitation Microloading effect not only when the working pressure is too high occurs. When the working pressure is reduced, it approximately leaves 0.5 Pa surprisingly, a reverse microloading effect on, the etching apparently locally in the area of holes in the structure is slower, probably due to a depletion of etching species that occurs there.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar auf alle Ätzgase und Gasmischungen, mit denen ein Mikrowellenplasma gezündet werden kann und mit denen eine Schicht mittels einer Fotolack maske bzw. einer sogenannten Hartmaske ganzflächig entfernt oder isotrop strukturiert werden soll.The method according to the invention is applicable to all etching gases and gas mixtures with which a microwave plasma is ignited and with which a layer can be made using a photoresist mask or a so-called hard mask removed over the entire surface or isotropically structured.
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