DE4241453C2 - Verfahren zum Plasmaätzen von Gräben in Silizium - Google Patents
Verfahren zum Plasmaätzen von Gräben in SiliziumInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasmaätzen nach dem
Anspruch 1. In der Mikroelektronik und in der
Mikromechanik bestehe ein wachsender Bedarf an schmalen und tiefen
Ätzgräben, die mit dem Trockenätzverfahren hergestellt werden. Zum
Beispiel im Bereich der Leistungshalbleiterbauelemente werden solche
Gräben zur Erzeugung vertikaler MOSFET-Kanäle und zur lateralen
Isolation von Funktionsmodulen in Leistungs-ICs benötigt.
Der Trockenätzprozeß (RIE = Reactive Ion Etching) findet unter
Plasmabedingungen statt und besteht aus zwei Komponenten. Die chemische
Komponente entspricht den chemischen Reaktionen zwischen dem geätzten
Substrat und den in dem Plasma gebildeten freien Radikalen. Die
Prozeßbedingungen werden so gewählt, daß ein möglichst großes
Verhältnis zwischen der Ätzgeschwindigkeit des Substrats und der Ätzgeschwindigkeit der
Ätzmaske (z. B. Photolack, Oxid oder Metall) genannt Selektivität,
entsteht. Die physikalische Komponente besteht in einer Zerstäubung des
Substrats durch die im Plasma beschleunigten Ionen. Da die Ionen
senkrecht zur Substratoberfläche beschleunigt werden, sorgt die
physikalische Komponente für einen hohen Anisotropiefaktor (Tiefen-
/Breiten-Verhältnis) der geätzten Gräben. Der Anisotropiefaktor wird
zusätzlich dadurch erhöht, da an den Seitenwänden abgelagerte Produkte
der chemischen Reaktionen die Wände passivieren und den Ablauf weiterer
Reaktionen an den Wänden hemmen.
Aus der Veröffentlichung Appl. Phys. Lett. 57 (1990), S. 596-598, ist ein
gattungsgemäßes Verfhahren bekannt, Silizium anisotrop zu ätzen. Dazu wird
einem Chlor-Plasma Stickstoff zugesetzt. Die Seitenwände der entstehenden
Gräben werden durch Siliziumnitride gegen den Ätzangriff der Chlorradikale
geschützt. Bei einer Hochfrequenzenergie von 700 W, einer Cl₂-Konzentration
von 47 Standard-cm³ bei 5 Standard-cm³ N₂ und einem Druck von 0,53 N/m²
wurde ein hohe Selektivität erzielt.
Zum Stand der Technik gehören außerdem noch RIE-Prozesse, die als chemische Reagenten
chlor-, fluor- oder bromhaltige Komponenten einsetzen. Die Passivierung
der Seitenwände wird durch Reaktionsprodukte, wie CClx-, SiClx- oder
SiFx-Polymere gewährleistet (D. Behammer, W. Buchholtz, "Kontrollierte
Profileinstellung von tiefen Si-Gräben mit CBrF3/O2-RIE-Plasmen", GME-
Fachbericht Nr. 8, S. 411-416 und GME-Fachtagung "Mikroelektronik",
4.-6. März 1991, Baden-Baden, VDE-Verlag, Berlin). Der Einsatz von
chlorhaltigen Reagenten (z. B. Cl2, CCl4, SiCl4) zum Ätzen von Silizium-
Substraten ist vorteilhaft, weil er erlaubt, eine strukturierte SiO2-
Schicht als Ätzmaske zu verwenden.
Die Prozeßbedingungen (Gaszusammensetzung, Gasfluß, Druck, in das
Plasma eingekoppelte elektrische Leistung und das elektrische Potential
des Substrats) müssen so optimiert werden, daß bei einer hohen Si-
Ätzgeschwindigkeit nur ein kleiner Abtrag der Ätzmaske (z. B. SiO2) entsteht, und
daß ein hoher Anisotropiefaktor der geätzten Gräben erreicht werden
kann. Zum Stand der Technik gehören RIE-Prozesse, die bei einer Si-
Ätzgeschwindigkeit von 0,7 bis 1,0 µm/min eine Si-/SiO₂-Ätzselektivität von
10 : 1, und ein Tiefen/Breiten-Verhältnis von geätzten Gräben von typisch
4 : 1 ermöglichen. Damit werden Tiefen von 4 bis 6 µm erreicht. Um
Grabentiefen über 10 µm zu erzielen, müssen die Selektivität und der
Anisotropiefaktor verbessert werden.
Die Schwierigkeit bei der Optimierung der Prozeßparameter besteht in
der Entgegenwirkung der Maßnahmen zur Erhöhung der Ätzratenselektivität
und des Anisotropiefaktors bei der Beibehaltung einer hohen Ätzrate.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Si-Ätzgeschwindigkeit < 0,7 µm/min
eine Si-Maske-Ätzselektivität < 20 : 1 und einen
Anisotropiefaktor < 5 : 1 zu erreichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruch 1 aufgeführten
Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen aufgeführt.
Erfindungsgemäß wird der Ätzprozeß in zwei Schritte unterteilt: das
Ätzen und das Passivieren. Diese Schritte werden in einem Prozeß
abwechselnd mehrmals wiederholt. Das Ergebnis dieses Prozesses ist in der Figur
dargestellt. Die Ionen graben den Grabenboden ab, die Passivierungsschicht
Pa schützt die Grabenwände.
Zur gezielten Passivierung der Seitenwände wird N₂-Plasma eingesetzt,
das zur Bildung von einem SiNx-Belag an den Wänden führt. Um den Belag
am Grabenboden zu vermeiden, ist es günstig, den Passivierungsschritt
unter einem niedrigeren Druck als den Ätzschritt zu führen.
Die Erfindung ermöglicht es die Prozeßparameter für den Ätzschritt im
Hinblick auf die Si-Ätzgeschwindigkeit und Selektivität gegenüber der Ätzmaske zu
optimieren. Der Passivierungsschritt sorgt für einen ausreichenden
Anisotropiefaktor. Der niedrigere Prozeßdruck während der Passivierung
erhöht die Zerstäubungsgeschwindigkeit am Grabenboden. Durch diese Maßnahme wird
der Bodenbelag entfernt und der Grabenboden geglättet.
In einem Ausführungsbeispiel (s. Figur) der Erfindung wird eine auf die Si-
Oberfläche durch die thermische Oxidation angebrachte SiO2-Schicht
strukturiert und als Ätzmaske mit einer Dicke von 1,5 µm verwendet. Die
Si-Oberfläche in den geöffneten Ätzfenstern wird mit einem CF-Plasma
vorbehandelt, um die SiO₂-Reste zu entfernen. Der Ätzprozeß wird in zwei
Schritte unterteilt.
1. Ätzen:
Gase: Cl2 (36 Standard-cm³), N2 (10 Standard-cm³) und SiCl4 (18 Standard-cm³)
Druck: 0,25 mbar
Leistung: 300 Watt
Zeit: 340 Sek.
Gase: Cl2 (36 Standard-cm³), N2 (10 Standard-cm³) und SiCl4 (18 Standard-cm³)
Druck: 0,25 mbar
Leistung: 300 Watt
Zeit: 340 Sek.
2. Passivieren:
Gase: N2 (50 Standard-cm³)
Druck: 0,12 mbar
Leistung: 300 Watt
Zeit: 120 Sek.
Gase: N2 (50 Standard-cm³)
Druck: 0,12 mbar
Leistung: 300 Watt
Zeit: 120 Sek.
Der Ätzschritt ist gekennzeichnet durch geringe Seitenpassivierung (Pa) und
einen niedrigen Anisotropiefaktor bei einer relativ hohen Ätzgeschwindigkeit (ca.
0,9 µm/min) und einer hohen Si-/SiO2-Ätzgeschwindigkeitselektivität (ca. 26 : 1).
Der Passivierungsschritt bei einem reduzierten Prozeßdruck zeichnet
sich durch eine gute Seitenwandpassivierung und einen leichten
Materialabtrag am Grabenboden aus, was einen guten Anisotropiefaktor
gewährleistet.
Im Prozeß werden die Schritte 1 und 2 abwechselnd mehrmals wiederholt,
was zu einer effektiven Ätzgeschwindigkeit (Grabentiefe/Gesamtprozeßzeit) von 0,82 µm/min
führt. Mit diesem Prozeß konnten Grabentiefen bis 25 µm bei
einer Grabenbreite von ca. 3 µm erreicht werden.
Claims (5)
1. Verfahren zum Plasmaätzen von Gräben in Silizium, mit einem
halogenhaltigen Gasgemisch bei einem Druck von 0,05 bis 0,3 mbar und einer
Hochfrequenzleistung von 100 bis 600 W
wobei jeweils nach einem Ätzschritt ein
Passivierungsschritt mit Stickstoff (N₂)
erfolgt, wodurch die Seitenwände des Ätzgrabens vor dem Abtragen
beim nächsten Ätzschritt geschützt werden, wobei
der Druck beim Passivieren niedriger gewählt wird als der Druck
beim Ätzen, und wobei jeder Ätzschritt solange andauert, bis eine
Vertiefung des Grabens um 2 bis 10 µm hervorgerufen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch jeden Ätzschritt eine Vertiefung des Grabens von etwa
einer Grabenbreite bis zum 3fachen der Grabenbreite hervorgerufen
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Ätzgas eine Mischung aus Cl₂, N₂ und SiCl₄ verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ätzvorgang 2 bis 10 Minuten dauert und der
Passivierungsvorgang in einem Bruchteil dieser Zeit vorgenommen
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Druck des Plasmas beim Ätzen etwa 0,25 mbar und beim
Passivieren 0,1 bis 0,17 mbar beträgt.
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