DE60030905T2

DE60030905T2 - Verfahren zur anisotropen Ätzung von Substraten

Info

Publication number: DE60030905T2
Application number: DE60030905T
Authority: DE
Inventors: Tamarak Fremont Pandhumsoporn; Kevin San Jose Yu; Michael Fremont Feldbaum; Michel Puech
Original assignee: Alcatel Lucent SAS
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1999-04-21
Filing date: 2000-02-21
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2020-02-22
Also published as: JP4601113B2; EP1047122B1; ATE341099T1; US6383938B2; EP1047122A3; EP1047122A2; DE60030905D1; JP2000323454A; US20010044213A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur anisotropen Plasmaätzung von Substraten, bevorzugt definiert durch eine Ätzmaske, in dem die Ätzrate und Selektivität erhöht werden. Das Verfahren kann gut zur Herstellung von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), ebenso wie für mikroelektronische Vorrichtungen implementiert werden.
Hintergrund zu relevantem Stand der Technik
Ein isotropes Plasmaätzen, insbesondere für Siliziumeinkristalle, kann unabhängig von der Kristallausrichtung des Substrats oder von dem Dotierungsgrad durchgeführt werden. Dieses Verfahren lässt sich sowohl auf dotiertes als auch auf undotiertes Polysilizium anwenden. Ein bevorzugtes Anwendungsfeld ist die MEMS-Technologie, wo Strukturen ein großes Streckungsverhältnis („aspect ratio") haben, d.h. ein großes strukturiertes Höhen- zu Breitenverhältnis. Andere Beispiele umfassen Oberflächenwellentechnologie, wo schmale Nuten und vertikale Wände geätzt werden, um Aktuatoren, Oberflächenwellenfelder, Verzögerungsstrecken, etc. zu erzeugen. Weitere mikroelektronische Anwendungen umfassen Speicherzellen, Isolatoren, Kollektoranschlüsse, etc.
Die üblicherweise für ein isotropes Siliziumätzen verwendeten reaktiven Ionenätzungsprozesse (RIE) verwenden relativ hohe Ionenenergien (≥ 100 eV) und reaktive Halogene, wie Fluor, Chlor oder Brom, die direkt in dem Plasma verwendet werden oder aus entsprechenden Verbindungen, wie CF₄, CF₃Br, C₂F₆, CCl₄, CHCl₃, freigesetzt werden. Der resultierende Ionenbeschuss des Ätzungsgrundes, d.h. des zu ätzenden Gebiets, löst die Reaktion der Radikale mit dem abzureichernden Silizium aus. Das Ätzen der Seitenwände ist minimal aufgrund der Bündelung der Ionen.
Es treten Probleme auf, wenn versucht wird die Plasmadichte durch Erhöhung der Spannung, die an die Plasmaentladung gekoppelt ist, zu steigern, um die Geschwindigkeit der Siliziumabtragung (d.h. der Ätzrate) zu erhöhen. Dies kann entweder durch Erhöhen der Spannung der Quelle für die Plasmaentladung oder durch Erhöhen des Werts der Polarisationsspannung, die an das Substrat angelegt wird, erreicht werden. Durch das Erhöhen der Spannung werden jedoch mehr heiße Ionen produziert und die Richtung der Ionenbewegung wird chaotischer. Als Ergebnis werden mehr Ionen und Radikale an den Wänden der Schlitze abgereichert, mit dem unvermeidbaren Verlust der Anisotropie der Ätzung. Um dieses Problem zu vermeiden, muss die Ätzrate reduziert werden, woraus ein Verlust an Durchsatz resultiert.
Ein weiteres auftretendes Problem ist die Maskendegradation. Wenn die Ätzrate reduziert wird, erhöht sich die Ätzzeit und daher die Maskenbelastungszeit, die zu einer schnelleren Maskendegradation führt, d.h. zu einer reduzierten Selektivität.
Das US-Patent Nr. 5,501,893 offenbart ein Ätzverfahren, das abwechselnde Ätzungs- und Polymerisationsschritte einschließt, wobei es Zweck der Polymerisationsschritte ist, eine Polymerschicht auf den Oberflächen, die in dem vorhergehenden Ätzungsschritt ausgesetzt waren, bereitzustellen, um einen vorübergehenden Ätzstopp zu bilden. Daher sind die Seitenwände von dem Ätzen während der Ätzschritte geschützt. Die Gasmischungen, die während der Ätzungs- und der Polymerisierungsschritte eingeführt werden, sind jedoch verschieden, sodass sich verschiedene Gasmischungen während der jeweiligen Ätzungs- und Polymerisierungsschritte im Kreislauf befinden. In dem Ätzungsschritt enthält die Gasmischung SF₂ und Ar und in dem Polymerisierungsschritt enthält die Gasmischung CHF₃ und Ar.
Das Problem mit dem Zirkulieren verschiedener Gase ist, dass das Zeitverhältnis des Ätzniederschlagsdurchlaufs von der Geschwindigkeit der Gasmischungen abhängt und von Punkt zu Punkt variiert, wodurch die Gleichmäßigkeit beeinflusst wird. Außerdem variiert die Zeit für die Sorten, um am Boden des geätzten Schlitzes anzukommen, drastisch für Schlitze, die verschieden große Öffnungen haben. Außerdem erfordert dieses Verfahren typischerweise komplexere Hardware und Steuerungen, um die zwei verschiedenen Gasmischungen in Zyklen einzuleiten.
Das US-Patent Nr. 4,795,529 offenbart ein Plasmabehandlungsverfahren und eine Vorrichtung dafür. Das Plasmabehandlungsverfahren umfasst das Erzeugen eines Plasmas aus einem Gas mit einem kritischen Potenzial unter einem reduzierten Druck und das Ändern einer Beschleunigungsspannung zum Beschleunigen von Ionen in dem Plasma in Richtung eine Probe, die in das kritische Potenzial eingebracht ist. Die Plasmabehandlungsvorrichtung umfasst Mittel, um ein Plasma aus einem Gas mit einem kritischen Potenzial unter einem reduzierten Druck zu erzeugen und Mittel zum Verändern einer Beschleunigungsspannung, um Ionen in dem Plasma auf eine Probe zu beschleunigen, die in das kritische Potenzial eingebracht ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung können der Ätzungsschritt und der Schichtbildungsschritt abwechselnd ausgeführt werden und die Plasmabehandlungszeit kann gekürzt werden.
Es ist wünschenswert, das Plasma so kalt wie möglich zu machen mit koexistierenden polymerbildenden ungesättigten Monomeren und Fluor-, Brom- oder Jodradikalen. Das Energieniveau, das für die Ionisierung ausreicht, ist für jedes Gas verschieden. In bestimmten Fällen ist die Aktivierungsenergie für polymererzeugende Gase (C₄F₈, CHF₃) zweimal höher als für radikalerzeugende Gase (SF₆). Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbessern der Behandlung von Siliziumoberflächen, die geätzt werden, bereitzustellen unter Verwendung der Unterschiede in den Aktivierungsenergien der reaktiven Gase, um optimale Bedingungen für beides, Ätzen und Passivieren, zu erreichen, und diese Bedingungen mit einer hohen Rate zu ändern, um ein Ätzverfahren mit hohem Akpektverhältnis und hoher Selektivität zu erzeugen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch das Bereitstellen eines Verfahrens zum anisotropen Plasmaätzen von Substraten (typischerweise Silizium), umfassend die folgenden Schritte:

a) Anordnen des Substrats mit der selektiv zu ätzenden Oberfläche auf einer Elektrode, die an eine elektromagnetische Spannungsquelle angeschlossen ist;
b) Zuführen von gemischten Gasen, die aus einem Ätzungsgas (SF₆) und einem Passivierungsgas (CHF₃, C₄F₈, etc.) bestehen, in die Verarbeitungskammer;
c) Anregen der gemischten Gase mit einer elektromagnetischen Strahlung geringerer Leistung (100–800 W), die ausreicht, um ein Plasma zu erzeugen, das Ionen und Radikale zum Ätzen enthält;
d) gleichzeitig mit Schritt (c), Anlegen einer hohen polarisierenden Spannung (50–500 eV) an das Substrat über seine elektromagnetische Spannungsquelle, um ein stark anisotropes Ätzen zu erzeugen;
e) Anregen des gemischten Gases mit elektromagnetischer Strahlung einer hohen Leistung (1000–3000 W), um in dem Plasma ungesättigte Monomere für eine schützende Polymerbeschichtungsbildung zu erzeugen;
f) gleichzeitig mit Schritt (e), Anlegen einer geringen polarisierenden Spannung (0–25 eV) an das Substrat, um eine gleichmäßige Polymerbeschichtung auf den exponierten Seitenwänden der zu ätzenden Oberflächen zu bilden; und

Abwechseln der Schritte c) und d) mit den Schritten e) und f), um eine anisotrope Ätzung mit einer hohen Ätzungsrate und Selektivität im Vergleich zu bisher unter Verwendung anderer Verfahren erreichten zu erreichen.
Das Verfahren, das in dieser Erfindung verwendet wird, ermöglicht es, das Substrat zu ätzen, ohne Heliumgas als Kühlmittel zu verwenden. Dies folgt daraus, dass eine geringere Leistung zum Anregen des Ätzungsgases verwendet wird, woraus folgt, dass wenige Wärme während des Verfahrens erzeugt wird.
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist, dass ein konstanter Fluss von gemischtem Gas in die Verarbeitungskammer während der Verarbeitung eingeleitet wird, woraus ein Verfahren resultiert, das stabiler und wiederholbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird unten detailliert in Verbindung mit den angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen
1 eine schematische Ansicht ist, die die Ätzungsvorrichtung zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung zeigt; und
2(a) bis 2(c) Ansichten sind, die die Verfahrensschritte der vorliegenden Erfindung zeigen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Das Folgende ist eine detaillierte Beschreibung der Erfindung in Bezug auf die 1 und 2(a) bis 2(c). Auf die 1 bezugnehmend, enthält die Vorrichtung eine Ätzungskammer 10. In der Kammer 10 wird ein Substrathalter 12 bereitgestellt, um das Substrat 14 ebenso wie einen induktiven Koppler 16 zu halten, der nahe dem Kopfende der Kammer 10 bereitgestellt wird. Der Substrathalter 12 ist eine Elektrode, die elektrisch an einen Generator 18 angeschlossen ist, der eine Spannungsquelle 19 und ein passendes Netzwerk 21 enthält, um das Substrat 14 zu polarisieren. Am Kopfende der Kammer ist eine Einlassleitung 20 zum Einleiten von Prozessgasen in die Kammer angeordnet. Die Prozessgase werden in Gastanks 22, 24 und 26 gelagert. Die Flussrate der Prozessgase in die Kammer 10 wird durch Steuerventile 28 gesteuert. Die Plasmaanregung wird durch den induktiven Koppler 16, der durch eine Hochfrequenzspannungsquelle 30 mit Energie versorgt wird, und ein dazugehöriges Anpassungsnetzwerk 32 bereitgestellt. Der Druck in der Kammer 10 wird durch eine mechanische Pumpe 34, eine Turbomolekularpumpe 36 und ein Drosselventil 38 in bekannter Art und Weise gesteuert. Es ist natürlich verständlich, dass die Erfindung nicht auf diese besondere Vorrichtung limitiert ist.
Das Folgende ist eine Beschreibung des Verfahrens zum Ätzen des Substrats unter Bezugnahme auf 2(a) bis 2(c). Das Substrat 14, das ein Siliziumsubstrat 40 und eine Ätzungsmaske 42, die die Bereiche des Siliziumsubstrats 40, die anisotrop geätzt werden sollen, freilässt, enthält, wird an dem Substrathalter/der Elektrode 12 angeordnet und dem ersten Ätzungsschritt ausgesetzt. In diesem Schritt wird eine Gasmischung, die ein Ätzmittel und passivierende Gase (z.B. SF₆, C₄F₈ und CHF₃) enthält, mit einer bestimmten Flussrate, vorzugsweise in dem Bereich von 100 bis 400 sccm, und einem Druck in einem Bereich von 0,1 bis 10 Pa in die Kammer 10 eingeleitet. Das Plasma wird durch Anlegen einer relativ geringen Hochfrequenzleistung, vorzugsweise in dem Bereich von 100 bis 800 W, von der Spannungsquelle 30 angeregt. Gleichzeitig sorgt der Substratgenerator 18 für ein Polarisierungspotenzial, um ein elektrisches Feld mit einem relativ hohen Wert in dem Bereich von 50 bis 500 eV zu erzeugen, bevorzugt 80 bis 300 eV. Die geringe Hochfrequenzleistung, die für die Plasmaanregung angelegt wird, sorgt für ein gerichtetes Ätzen mit einer extrem hohen Rate. Insbesondere ist das Plasma „kalt" aufgrund der geringen eingebrachten Energie, sodass die Direktionalität der Ionen gesteuert werden kann. Das hohe Potenzial des Substrats 14 sorgt außerdem für eine starke Beschleunigung der Ionen auf die geätzte Oberfläche. Beide Faktoren sorgen für eine exzellente Direktionalität der Ionen, die in einer stark anisotropen Ätzung resultiert. Der geätzte Bereich 44 des Siliziumsubstrats 40 wird in 2(a) gezeigt.
Nach einer gewissen Zeitspanne, z.B. 10 bis 100 s, schaltet die Spannungsquelle 30 auf eine relativ hohe Leistung um, vorzugsweise im Bereich von 1000 bis 3000 W, um eine hohe Energieanregung des Plasmas zu erreichen, und das Polarisationspotenzial, das durch den Substratgenerator entwickelt wird, wird auf einen relativ niedrigen Wert oder sogar auf Null (d.h. 0–25 eV) reduziert. Hohe Energieanregung des Plasmas erzeugt eine Bedingung, aus der die Bildung einer Polymerschicht 46 resultiert. Ferner verursacht die isotrope Bewegung von Spezies, dass die Dicke der Polymerschicht 46 am Boden des Schlitzes die gleiche ist wie die Dicke auf den Seitenwänden, wie in 2(b) gezeigt. Währenddessen verhindert die geringe Polarisation an dem Substrat 14 jedes Ätzen. Nach einer bestimmten Zeit, z.B. 0,5 bis 3 s, wird die schützende Polymerschicht 46 mit einer vorbestimmten Dicke auf den Schlitzwänden gebildet, wie in 2(b) gezeigt. Diese schützende Polymerschicht 46 verhindert eine Erosion der Schlitzwände, die in vorhergehenden Ätzungsschritten gebildet wurden, in dem folgenden Ätzungsschritt, der in der oben diskutierten Art und Weise durchgeführt wird.
Insbesondere bleiben die zuvor geätzten Seitenwände während des nächsten Ätzungsschrittes durch die Polymerschicht 46 geschützt, während die Polymerschicht am Boden des Schlitzes schnell durch den anisotropen Beschuss mit Ionen, die durch das hohe Polarisationspotenzial beschleunigt werden, freigelegt wird, wodurch ein weiteres Ätzen des Siliziums am Boden des Schlitzes ermöglicht wird, wie durch das Bezugszeichen 48 in 2(c) identifiziert wird. Die Ätzungs- und Passivierungsschritte werden abwechselnd wiederholt, bis der Schlitz die erforderliche Tiefe erreicht.
Es gibt etliche Vorteile dieses Verfahrens im Vergleich zu dem konventionellen Verfahren, das oben diskutiert wurde. Insbesondere folgt aus der kontinuierlichen Einleitung einer konstanten Gasmischung gemäß der vorliegenden Erfindung eine gleichmäßigere Verteilung der Spezies. Dies sorgt für eine bessere Gleichmäßigkeit auf dem Substrat. Im Unterschied dazu hängt das Zeitverhältnis des Ätz-/Ablagerungszyklusses beim konventionellen Fall, bei dem Gase abgewechselt werden, von der Geschwindigkeit der Gase ab und variiert von Punkt zu Punkt, wodurch die Gleichmäßigkeit beeinflusst wird.
Ferner variiert die Zeit für die Spezies zum Ankommen am Boden des geätzten Schlitzes drastisch für Schlitze mit verschieden großen Öffnungen, wenn das Zyklierungsgasverfahren verwendet wird. Dies erhöht die Variation in den Tiefen, die für Schlitze mit verschiedenen Aspektverhältnissen erreicht werden (aspektverhältnisabhängiges Ätzen). In dem vorliegenden Fall, wo die Gasmischung konstant ist, wird die Gaszusammensetzung für Schlitze mit verschiedenen Öffnungsgrößen gleich sein. Dies verbessert auch die Gleichmäßigkeit („microloading effect").
Ferner sorgt das Verfahren der vorliegenden Erfindung für eine sehr hohe Selektivität für das Maskenmaterial, aufgrund der Kombination von während des Ätzens verwendeter geringer Leistung und während der Ablagerung verwendeter geringerer Polarisationsspannung.
Da eine Vielzahl von Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Geist der Erfindung abzuweichen, ist es beabsichtigt, dass das gesamte Material, das in der vorhergehenden Beschreibung enthalten ist und in den begleitenden Zeichnungen gezeigt wird, als illustrativ und nicht in einem limitierenden Sinne interpretiert wird. Zum Beispiel ist die Erfindung nicht auf die Liste der oben diskutierten Ätzmittel und passivierenden Gase limitiert. Weitere siliziumätzende Gase umfassen CF₄, NF₃, NF₃HF, HBr, CCL₄, CF₂Cl₂, CFCl₃, Br₂, Cl₂, I₂, HCl, CIF₃ und BCl₃. Ferner umfassen weitere passivierende Gase CH₄, CH₂F₂, H₂, C₂H₄, C₃H₈, CH₃Br, C₂F₆, C₂F₆ und C₃F₆.
Zusätzlich kann der ätzende und passivierende Effekt durch Veränderung des Druckes in der Kammer erreicht werden. Insbesondere wird die Polymerbildung während der Passivierung durch den Druck beeinflusst. Je höher der Druck ist, umso stärker ist die Polymerbildung und daher ist der Grad der Passivierung umso stärker. Im Unterschied dazu, je geringer der Druck ist, umso schwächer ist die Polymerbildung und daher ist der Passivierungsgrad umso schwächer. Genauso erhöht eine Erhöhung des Drucks während des Ätzens die Ätzungsrate, während eine Abnahme des Druckes die Ätzungsrate verringert.

Claims

Ein anisotropes Ätzverfahren zur Ätzung eines Siliziumsubstrats (14, 40) umfassend die Schritte – Zuführen eines gemischten Gases enthaltend Ätzmittel und passivierende Gase in eine Kammer (10) mit dem zu ätzenden Siliziumsubstrat; – Ätzen des Substrats in der Anwesenheit des gemischten Gases durch Steuern der Anregungsleistung und der Vorspannung, die während einer ersten Zeitspanne an das Substrat angelegt wird, um Material von der Oberfläche des Substrats zu entfernen und dadurch eine exponierte Oberfläche (44) bereitzustellen; – Passivieren des Substrats in der Anwesenheit des gemischten Gases durch Steuern der Anregungsleistung und der Vorspannung, die während einer zweiten Zeitspanne an das Substrat angelegt wird, um die exponierte Oberfläche mit einer Polymerschicht (46) zu bedecken, wobei das gemischte Gas das gleiche während des Ätzungs- und Passivierungsschritts ist; und – Wiederholen des Ätzungsschrittes (48), wobei die Vorspannung, die an das Substrat angelegt wird, während des Ätzungsschrittes höher ist als die Vorspannung, die während des Passivierungsschrittes an das Substrat angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsleistung während des Ätzungsschrittes kleiner als die Anregungsleistung während des Passivierungsschrittes ist.
Das Ätzverfahren gemäß Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Wiederholens des Passivierungsschrittes.
Das Ätzverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Ätzungsschritt die Schritte des Anlegens einer Hochfrequenzleistung an einen induktiven Koppler (16), der in der Kammer angeordnet ist, im Bereich von 100 bis 800 W und des Anlegens einer Spannung an das Substrat zum Erzeugen eines elektrischen Feldes im Bereich von 50 bis 300 eV enthält.
Das Ätzverfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Passivierungsschritt die Schritte des Anlegens einer Hochfrequenzleistung an einen induktiven Koppler (16), der in der Kammer angeordnet ist, im Bereich von 1000 bis 3000 W und des Anlegens einer Spannung an das Substrat zum Erzeugen eines elektrischen Feldes im Bereich von 0 bis 25 eV, enthält.
Das Ätzverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Ätzungsschritt während einer Zeitspanne im Bereich von 10 bis 100 Sekunden ausgeführt wird.
Das Ätzverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Passivierungsschritt für eine Zeitspanne im Bereich von 0,5 bis 3 Sekunden ausgeführt wird.
Das Ätzverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Zuführschritt den Schritt des Zuführens von SF₆, C₄F₈ und CHF₃ in die Kammer umfasst.
Das Ätzverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Gasdruck in der Kammer in dem Bereich von 0,1 bis 10 Pa liegt.
Das Ätzverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend den Schritt des Variierens des Druckes in der Kammer.
Das Ätzverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei während des Zuführschrittes das gemischte Gas mit einer konstanten Rate während der Ätzungsschritte und dem Passivierungsschritt zugeführt wird.