DE4416057C2 - Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Tiefenstrukturen in Siliziumsubstraten - Google Patents
Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Tiefenstrukturen in SiliziumsubstratenInfo
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Description
Die Erfingung betrifft ein verfahren zur Herstellung dreidimensionaler
Tiefenstrukturen in Siliziumsubstraten, wie sie in der
Mikrosystemtechnik verwendet werden.
Im Gegensatz zur integrierten Schaltungstechnik, bei der selbst
sogenannte Grabenstrukturen zur gegenseitigen Isolation von
Schaltelementen und zur Herstellung von Vertikalkondensatoren auf eine
Größenordnung von etwa 10 µm in der Tiefe beschränkt sind, werden in
der Mikrosystemtechnik Strukturtiefen größer als 50 µm, üblicherweise
ca. 100 µm und mehr, gefordert. Zur definierten Tiefenstrukturierung in
Halbleitersubstraten bedient man sich verschiedener Ätzprozesse.
Es ist seit längerem bekannt und u. a. in dem Fachbuch von S. M. Sze
"Semiconductor Devices, Physics and Technology" John Wiley & Sons,
New York, 1985, beschrieben, Tiefenstrukturierungen in Halbleitersubstraten,
insbesondere in Silizium, mittels naßchemischer Prozesse vorzunehmen,
wobei der maskierte Wafer einer Kalilaugelösung ausgesetzt wird. Bei
einer Ätzrate von etwa 0,6 µm/min. bezogen auf eine Prozeßlösung aus
33% KOH und 57% H2O, wird die hohe Prozeßdauer des Ätzverfahrens als
störend empfunden. Darüber hinaus ist selbst nach intensiven
Reinigungsprozeduren nicht auszuschließen, daß Laugenreste auf dem
Wafer verbleiben, die eine erfolgversprechende Implementierung
schaltungstechnischer Strukturen, insbesondere auf Basis der
CMOS-Technologie, im Wege stehen. Überdies sind die geometrischen
Strukturen der Ätzgruben beim naßchemischen Prozeß von der
kristallografischen Orientierung der Substratoberfläche abhängig, so daß
die Formenvielfalt stark eingeschränkt ist.
Aus "Vacuum" Vol. 42, No. 13, 1991, Seiten 837 bis 843 sowie "J. Electrochem. Soc.", Vol.
138, No. 10, Oct. 1991, Seiten 3076-3081 sind Untersuchungen über die Ätzeigenschaften
des Gasgemisches SF6/O2 als Funktion der Betriebsparameter bekannt.
Auch die US-PS 5047115 beschäftigt sich mit dem Ätzen, wobei hier eine
Ätzgasatmosphäre eingesetzt wird, die aus mindestens einem kohlenstoffreien
fluorhaltigen Gas, mindestens einem Inertgas und mindestens einem kohlenstoffreien
oxidierenden Gas besteht.
Es ist weiterhin bekannt, zur Herstellung von Grabenstrukturen in der
integrierten Schaltungstechnik, die ein Breiten-/Tiefenverhältnis von
« 1 aufweisen, Plasmaätzprozesse, insbesondere das reaktive Ionenätzen
mit verschiedenen Prozeßparametern, anzuwenden, sowie in DD 286 458 A5, EP
0 256 311 A2, DD 298 975 A5 und EP 0 450 302 A1 beschrieben. Allen vorbekannten
Ausgestaltungen des reaktiven Ionenätzens gemein ist, daß die Ätzrate
0,5 µm/min nicht übersteigt und daß die offenbarte Tiefe der
Grabenstruktur max. 12 µm beträgt. Sowohl die applizierten Ätztiefen als
auch die erzielbaren Ätzraten sind zum Zwecke der Tiefenstrukturierung
unbefriedigend.
Für die Strukturierung von Wafern in Chargen ist es darüber hinaus
allgemein erforderlich, daß unabhängig vom Strukturierungsverfahren alle
Strukturelemente sowohl desselben Wafers als auch verschiedener Wafer
einer Charge qualitativ und quantitativ gleichmäßig herausgearbeitet
werden (Uniformität) und daß unter gleichen Prozeßbedingungen
reproduzierbare Strukturformen realisiert werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Herstellung dreidimensionaler Tiefenstrukturen in Halbleitersubstraten
anzugeben, daß eine hohe Ätzrate bei guter Uniformität und frei
wählbarer lateraler Strukturgeometrie erlaubt und schaltungstechnische
Intergrationen auf demselben Halbleitersubstrat nicht behindert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Patentanspruches 1 gelöst. Weitergehende Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Patentansprüchen 2-5 genannt.
Das reaktive Ionenätzen ist ein isotropes Plasmaätzverfahren, bei dem
in einem Hochfrequenzfeld angeregte Radikale eines Ätzgases auf die zu
ätzende Substratoberfläche hin beschleunigt werden und sowohl zu einem
physikalischen als auch zu einem chemischreaktiven Materialabtrag
führen. Durch die Wahl der Prozeßparameter Gasdruck,
Gaszusammensetzung, Gasfluß, Substrattemperatur und HF-Leistung, sind
die Ätzrate, die Selektivität, die Uniformität und der Grad der
Anisotropie beeinflußbar.
Darüber hinaus sind die Kenngrößen des reaktiven Ionenätzens
quantitativ von der Geometrie des Ätzreaktors abhängig. Die
quantitativen Angaben zu den Kenngrößen beziehen sich auf eine
Ätzanlage vom Typ TEGAL Modell 901e, die mit einem
Parallelplattenreaktor ausgestattet ist.
Die Prozeßparameter werden zwischen den Grenzen
- - HF-Leistung: 100 bis 500 W
- - Gasdruck: 26 bis 133 Pa
- - Gasfluß: 10 bis 90 sccm für SF6
als Ätzgas gehalten. Die Temperatur der Prozeßkammer wird auf 25°C
eingestellt und durch Thermostatisierung konstant gehalten. Die
Prozeßtemperatur liegt damit geringfügig oberhalb der
Umgebungstemperatur, um einen Feuchtigkeitsniederschlag an den Wänden
der Prozeßkammern zu vermeiden.
Dem Ätzgas SF6 wird ein Sauerstoffanteil von 20 bis 40% bei einem
Gasfluß von 5 bis 45 sccm beigemischt.
Die folgenden Angaben zur Ausführung der Erfindung beziehen sich auf
einen (100)-orientierten Siliziumwafer, der mit einer Aluminiumschicht
maskiert ist. Für die Schichtstärke der Maskierung ist 1 µm vorgesehen.
Bei einer HF-Leistung von 150 W, einem Gasdruck von 40 Pa, einem Gasfluß
von 40 sccm für SF6 sowie einem Gasfluß im Bereich von 8 bis 16 sccm für
O2, sind Ätzraten von mehr als 6 µm/min. erzielbar. Insbesondere bei
einem Gasfluß von 12 sccm für O2, ist eine Ätzrate von 7,2 µm/min bei
einem Anteil der zu ätzenden Fläche an der Oberfläche des Silizium-
Wafers von 4%. Allgemein nimmt die Ätzrate mit zunehmendem
Flächenanteil der zu ätzenden Struktur an der Oberfläche des Wafers ab.
Zur Erzielung einer hohen Uniformität wird der Gasfluß für O2, bei
HF-Leistung von 150 W, einem Gasdruck von 40 Pa und einem Gasfluß von
40 sccm für SF6 auf Werte zwischen 8 und 14 sccm eingestellt. Die
erzielbaren Strukturabweichungen bleiben dabei unterhalb 2%.
Die Strukturgeometrie ist über den Anisotropiefaktor beeinflußbar, der
durch das Verhältnis der Lateralätzung zur Tiefenätzung bestimmt wird.
Zur Strukturierung beliebiger geometrischer Formen ist eine hohe
Anisotropie des Ätzprozesses erforderlich. Bei einer HF-Leistung von 150
W, einem Gasdruck von 40 Pa und einem Gasfluß von 40 sccm für SF6 wird
zur Erzielung einer hohen Anisotropie ein Gasfluß von 10 bis 14 sccm für
O2 eingestellt. In diesem Bereich sind Ätzstrukturen mit einem
Anisotropiefaktor von etwa 0,6 herstellbar.
Trotz der hohen erzielbaren Ätzraten bleiben die Rauhtiefen an den
Wandungen der Ätzstrukturen sehr gering. Im Bereich der beschriebenen
Ätzparameter und einer Tiefe der Ätzgrube von 90 µm bleiben die
Rauhtiefen unterhalb 200 nm.
Das Plasmaätzen ist rückstandsfrei, so daß nachfolgende Prozesse zur
schaltungstechnischen Integration auf demselben Halbleiter-Substrat
ermöglicht sind.
Das beschriebene Verfahren zeichnet sich durch eine hohe
Reproduzierbarkeit aus. Sowohl zwischen verschiedenen Strukturen
desselben Wafers als auch zwischen Strukturen verschiedener Wafer
bleiben die Äzratendifferenzen unter 2% und die
Uniformitätsstrukturabweichungen unterhalb von 2%.
Claims (5)
1. Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Tiefenstrukturen in monokristallinen
Siliziumsubstraten durch reaktives Ionenätzen mit einem Gasgemisch bestehend aus
Schwefelhexafluorid (SF6) und Sauerstoff (O2) in einem Parallelplattenreaktor,
dadurch gekennzeichnet,
daß zum Ätzen als Prozeßparameter
- 1. eine Umgebungstemperatur von 25°C,
- 2. ein Gasfluß von 10-90 sccm für SF6,
- 3. ein Gasfluß von 5-45 sccm für O2,
- 4. ein Anteil von 20-40% O2 am Ätzgas,
- 5. ein Gasdruck von 26 bis 133 Pa,
- 6. eine HF-Leistung von 100-500 W,
- 7. bei einem Elektrodenabstand von 39,5 mm und einer Leistungsdichte von 0,43 W/cm2 (bei 100 W) - 2,15 W/cm2 (bei 500 W)
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß vor dem Ätzprozeß die verbleibenden Strukturen durch eine Aluminiumschicht maskiert
werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem Gasfluß von 40 sccm für SF6, eine HF-Leistung von 150 W und einem
Gasdruck von 40 Pa zur Erzielung einer hohen Ätzrate ein Gasfluß von 8 bis 16 sccm für O2
eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem Gasfluß von 40 sccm für SF6, einer HF-Leistung von 150 W und einem
Gasdruck von 40 Pa zur Erzielung einer hohen Uniformität ein Gasfluß von 8 bis 14 sccm für
O2 eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem Gasfluß von 40 sccm für SF6, einer HF-Leistung von 150 W und einem
Gasdruck von 40 Pa zur Erzielung einer hohen Anisotropie ein Gasfluß von 10 bis 14 sccm
für O2 eingestellt wird.
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Also Published As
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|---|---|
| DE4416057A1 (de) | 1995-11-09 |
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