-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Planarisierung der
Oberfläche einer mit einer dielektrischen Schicht auf Quarzglasbasis bedeckten
Halbleiteranordnung, bestehend aus:
-
- einer Aufbringung einer Lackschicht mit ausreichender Dicke, um eine freie,
nach geeigneter Behandlung im wesentlichen plane Oberfläche zu erhalten,
-
- einer Durchführung einer schrittweisen Plasmaätzung zum Erhalt einer neuen,
freien, im wesentlichen planen Oberfläche der dielektrischen Schicht nach
Wegätzung der Lackschicht.
-
Bei der technischen Entwicklung von Halbleiteranordnungen zeigt sich
eine allgemeine Tendenz zu stets höherer Integration einer großen Anzahl Komponenten
in monolithischen Schaltungen. Es ist bekannt, daß bei ihrem Herstellungsprozeß durch
eine mangelhafte Planheit der Oberfläche beträchtliche Schwierigkeiten hervorgerufen
werden, so daß die zur Nivellierung der Oberfläche notwendigen Operationen heute Teil
des normalen Herstellungsprozesses von integrierten Schaltungen sind, vor allem, wenn
es sich um Strukturen mit sehr kleinen lateralen Abmessungen und Kontaktierungen mit
mehreren Metallisierungsebenen handelt.
-
Ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Planarisierung der
Oberfläche einer Halbleiteranordnung ist aus dem Dokument EP-A-0 243 273 bekannt.
In diesem Dokument wird vor allem gezeigt, daß bei einem die Ätzung
einleitenden Schritt, bei dem nur das Lackschichtmaterial weggeätzt wird, die
Bedingungen einer beschleunigten Ätzung und vor allem eine beträchtliche
Sauerstoffkonzentration im Plasmaversorgungsgas frei gewählt werden können. Sobald jedoch die
Grenzfläche zwischen der Lackschicht und der Oberkante der dielektrischen Schicht erreicht
ist, ist bei dem bekannten Verfahren vorgesehen, dann eine reduzierte
Sauerstoffkonzentration zu verwenden, so daß unter diesen Bedingungen eine homogene dielektrische
Schicht mit einer höheren Ätzrate als eine homogene Lackschicht weggeätzt werden
würde. Die genannten Ätzraten sind die, die in Einzelversuchen beobachtet wurden, bei
denen entweder nur die dielektrische Schicht oder nur die Lackschicht geätzt wurde. Bei
dem praktischen Verfahren, bei dem die beiden Materialien gleichzeitig geätzt werden,
stellt sich ein Ausgleich der Ätzraten ein, der auf die Freisetzung verschiedener
Oxidantien aus Teilen der geätzten dielektrischen Schicht zurückgeführt werden kann, die, vom
Plasma aktiviert, zur Erhöhung der Ätzrate des Lacks beitragen, ohne die Ätzrate der
dielektrischen Schicht wesentlich zu verändern.
-
Das bekannte Verfahren bezieht sich auf den Fall, in dem die
ursprüngliche Oberfläche der dielektrischen Schicht ein Profil mit nur zwei Höhenebenen
aufweist, wie es sich typischerweise bei der Herstellung eine Metallkontaktkonfiguration
auf einer planen Oberfläche ergibt. Die auf einer solchen Struktur gebildete freie
Oberfläche der dielektrischen Schicht weist einerseits erhabene Bereiche auf, die dem
Ort der Kontaktkonfiguration entsprechen und andererseits Bereiche, die niedriger sind
als die vorgenannten Teile, wobei der Höhenunterschied zwischen diesen beiden
Oberflächenbereichen äquivalent zur Dicke der Metallkontaktschicht ist.
-
Es ist jedoch wünschenswert, daß auch die Oberfläche einer
Halbleiteranordnung mit einem topografischen Profil mit mehr als zwei Höhenebenen planarisiert
werden kann. Ein solches Profil ergibt sich beispielsweise im Laufe der Herstellung
MOS-Transistorschaltung mit hohem Integrationsgrad, bei der eine Isolierung durch
Feldoxid verwendet wird, die relativ zu anderen, nicht-isolierten Gebieten höher liegt,
und bei der Bereiche mit einer dotierten polykristallinen Schicht verwendet werden, um
einerseits die Gate-Elektroden und andererseits bestimmte elektrische Verbindungen
zwischen aktiven Zonen, die vor allem über das Feldoxid führen, herzustellen. Somit
wird ein Profil mit vier verschiedenen Höhenebenen erhalten.
-
Versuche haben gezeigt, daß das bekannte Verfahren bei einem Profil mit
mehr als zwei verschiedenen Höhenebenen nicht anwendbar ist. Bei der Mehrheit der
durchgeführten Versuche wurde beobachtet, daß das tiefste Profil, das heißt der
Höhenunterschied, der die beiden tiefsten Ebenen der Oberfläche der dielektrischen
Schicht voneinander trennt, nach Ablauf des Vorgangs nicht abgenommen hatte.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Verbesserung des bekannten
Verfahrens zu verschaffen, so daß eine gute Planheit an der Oberfläche einer
Halbleiteranordnung mit komplexem anfänglichen topografischem Profil erhalten wird.
-
Faktisch ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Planarisierung der
Oberfläche einer Halbleiteranordnung durch die in Anspruch 1 definierten Mittel
gekennzeichnet.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, während der
gleichzeitigen Ätzung der verschiedenen Materialien Dielektrikum und Lack einfach zu bleiben; es
umfaßt nur zwei Schritte, während derer die Ätzbedingungen mit verschiedenen
festgelegten Werten gewählt werden. Diese zwei Schritte folgen einem einleitenden
Schritt, bei dem nur der Lack geätzt wird. Es leuchtet ein, daß die während dieses
einleitenden Schrittes angewendeten Ätzbedingungen frei gewählt werden können, da
diese Bedingungen ohne Einfluß auf die endgültige Planheit sind. Soll die Dauer des
Plasmaätzvorgangs reduziert werden, können daher im Laufe des einleitenden Schrittes
für die beschleunigte Ätzung des Lacks Bedingungen verwendet werden, die an sich
bekannt sind. In diesem Fall werden beim Ätzvorgang nacheinander drei Reihen
unterschiedlicher Bedingungen verwendet. Während des einleitenden Schrittes und des mit
"erstem Schritt" bezeichneten Schrittes können auch die gleichen Bedingungen
verwendet werden, was die Anzahl unterschiedlicher, während des Ätzvorganges
einzuhaltender Bedingungen auf lediglich zwei reduziert.
-
Es wurde beobachtet, daß bei einer Anordnung, bei der die dielektrische
Schicht ein Profil mit mehr als zwei Ebenen aufweist, der Fall, in dem sich über den
größeren Teil der Gesamtfläche der Anordnung eine Zwischenebene zwischen den
äußeren Ebenen erstreckt, in der Praxis am häufigsten vorkommt. Unter "größerem Teil"
soll hier ein Teil verstanden werden, der mehr als 50% der Gesamtfläche ausmacht.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren wird auf eine solche Art von
Halbleiteranordnungen angewendet, indem ein Mittel zur genauen Bestimmung des Zeitpunktes
verschafft wird, zu dem der erste Schritt der Plasmaätzung unterbrochen werden soll
und die Bedingungen dann geändert werden sollen, um zum zweiten Schritt der Ätzung
überzugehen. Faktisch zeigt sich bei der Beobachtung der vom Plasma während des
ersten Schrittes der Ätzung erzeugten CO-Lichtemissionslinie eine plötzliche
Intensitätszunahme, die im wesentlichen dem Zeitpunkt entspricht, zu dem die Hauptebene der
Oberfläche der dielektrischen Schicht gerade von der Lackschicht befreit wird.
-
Die Unterbrechung des ersten Schrittes erfolgt dann entweder zu dem
Zeitpunkt, zu dem die Intensitätszunahme der CO-Emissionslinie ihr Maximum erreicht,
oder nach einer kurzen zuvor festgelegten Zeitspanne nach diesem Maximum, und zwar
in Abhängigkeit von den Besonderheiten des topografischen Profils des Substrats im
Laufe der Behandlung. Der Zeitpunkt, zu dem der erste Ätzschritt unterbrochen werden
soll, kann daher für eine Reihe von Substraten mit ähnlichen Charakteristika von einem
Ätzvorgang zum anderen auf reproduzierbare Weise bestimmt werden.
-
Es ist möglich, im voraus zu bestimmen, welches die während jedes der
zwei Ätzschritte zu verwendenden Ätzbedingungen sind: Während des ersten Schrittes
werden die Ätzbedingungen so gewählt, daß eine Ätzrate des Dielektrikums erhalten
wird, die 1 bis 1,5 mal so groß wie die Ätzrate des Lackes ist, wobei diese Raten
während einer gleichzeitigen Ätzung zweier Materialien gemessen werden, deren Anteil
freiliegender Flächen gleich dem Anteil zu Beginn des ersten Schrittes ist, bei dem nur
die am weitesten hervorstehenden Teile der dielektrischen Schicht freigelegt werden,
wohingegen während des zweiten Schrittes die Ätzbedingungen so verändert werden,
daß eine Ätzrate des Dielektrikums erhalten wird, die 1 bis 1,5 mal so groß ist wie die
Ätzrate des Lacks, wobei diese Raten bei einer gleichzeitigen Ätzung dieser gleichen
Materialien gemessen werden, jedoch mit einem Anteil freiliegender Flächen, der dem
eines Endstadiums der Ätzung äquivalent ist, bei dem nur noch die Bereiche der
Oberfläche der dielektrischen Schicht mit Lack bedeckt sind, die tiefer liegen als die
Hauptebene.
-
Bei einem gegebenen topografischen Profil stellt die Gleichheit des
durchschnittlichen Volumens der Erhebungen mit dem durchschnittlichen Volumen der
Vertiefungen bezüglich der genannten Hauptebene des Profils ein praktisches interessantes
Charakteristikum dar.
-
Soweit die Volumen im wesentlichen äquivalent sind, was in der Praxis
häufig vorkommt, erfolgt der Abbruch des ersten Schrittes zu dem Zeitpunkt, der durch
die plötzliche Intensitätszunahme der CO-Emissionslinie angezeigt wird, anstatt nach
einer bestimmten Zeitspanne nach diesem Zeitpunkt.
-
Nicht-einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zum
besseren Verständnis in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
-
die Fig. 1A und 1B schematische Teilschnittansichten eines Beispiels
einer Anordnung jeweils zu Beginn und im Laufe der Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
-
Fig. 2 ein Diagramm der von der dielektrischen Schicht bedeckten
Fläche relativ zur Gesamtfläche in Abhängigkeit von einer Ebene zunehmender Tiefe
entsprechend der Anordnung aus Fig. 1A,
-
Fig. 3 in Abhängigkeit von der Zeit den Verlauf der Lichtintensität der
vom Plasma während einer Ätzung einer Struktur wie in Fig. 1A mit festgelegten
Bedingungen emittierten CO-Emissionslinie,
-
Fig. 4 eine Kurve des Verlaufs der Ätzrate für eine Lackschicht unter
identischen Betriebsbedingungen, jedoch mit Proben, die verschiedene Anteile
freigelegter Flächen des Dielektrikums aufweisen, und
-
Fig. 5 das Verhältnis zwischen der Ätzrate des Dielektrikums und der
Ätzrate des Lacks in Abhängigkeit von der dem Plasma zugeführten Sauerstoffmenge
für zwei Werte des Anteils der freigelegten Fläche des Dielektrikums.
-
Fig. 1A bezieht sich auf eine in Teilansicht sehr schematisch dargestellte
integrierte MOS-Transistor-Anordnung. Ein Substrat 10 aus Silizium ist zum Teil mit
einer Feldoxidschicht 11 bedeckt, die zur Abgrenzung der aktiven Gebiete vor allem der
Transistoren dient. Jeder Transistor hat eine leitende Gate-Elektrode 12, die aus einer
relativ dicken Schicht aus polykristallinem Silizium gebildet ist, die in die benötigte
Konfiguration geschnitten wird. Wie bekannt und allgemein auf dem Gebiet der
integrierten Schaltungen mit hohem Integrationsgrad praktiziert, wird das Gate 12 von
einem lateralen isolierenden Streifen 13 eingefaßt, so daß die selbstjustierende
Kontaktierung auf den Source-Gebieten und den Drain-Gebieten 15 vereinfacht wird. In der
Figur ist auch eine elektrische Verbindungsleitung 16 dargestellt, die gleichzeitig mit
den Gates 12 der Transistoren hergestellt wird und wenigstens teilweise vom Substrat 10
dadurch isoliert ist, daß sie sich auf dem Feldoxid 11 befindet. Die Halbleiteranordnung
wurde mit einer relativ dicken dielektrischen Schicht 20 auf Quarzglasbasis bedeckt.
-
Für die Aufbringung dieser dielektrischen Schicht 20 wurde ein Verfahren
mit Eigenschaften zur guten Bedeckung der Oberfläche, einschließlich der nicht
horizontalen Flächen, angewandt, wie beispielsweise das CVD-Verfahren (Chemical Vapor
Deposition) bei atmosphärischem Druck oder bei niedrigem Druck (LPCVD), oder auch
ein plasmaunterstütztes CVD-Verfahren. Die Oberfläche der dielektrischen Schicht 20
ist nicht plan, sondern weist Unebenheiten auf, die durch das erfindungsgemäße
Verfahren planarisiert werden sollen.
-
Dazu wurde auf der gesamten Anordnung eine für ihre
oberflächenprofilverringernden Eigenschaften bekannte Lackschicht 21 aufgebracht, wie beispielsweise
der von der Gesellschaft "HUNT CHEMICAL" unter dem Handelsbezeichnung
HPR204 vertriebene Fotolack. Im allgemeinen wird die Lackschicht 21 vorzugsweise
mit einer relativ großen Dicke von beispielsweise 1200 nm aufgebracht, um nach einer
Behandlung, die aus einer 45 Sekunden langen Bestrahlung mit ultraviolettem Licht,
gefolgt von einer Wärmebehandlung bei 200º, eine praktisch vollständige Beseitigung
des Profils auf der freien Oberfläche 22 der genannten Lackschicht 21 zu erreichen.
Fig. 1A stellt daher einen Teil der Halbleiteranordnung in diesem
Prozeßstadium dar. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß in dieser Figur bestimmte
Details wie die Gate-Oxidschicht oder die Drain- und Source-Metallisierungen nicht
dargestellt worden sind, da diese Details für die Erfindung nicht von Bedeutung sind.
-
Um die Oberfläche der dielektrischen Schicht 20 zu planarisieren, wird
die mit der Lackschicht 21 versehene Anordnung einer an der freien Oberfläche 22
beginnenden fortschreitenden Ätzung durch die Wirkung verschiedener, durch ein
Plasma erzeugter ionisierter Gase unterzogen.
-
Dazu wurde eine durch ein elektrisches Hochfrequenzfeld mit 400 KHz
und einer Starke von 3,7 W/(cm² Substratfläche) angeregte Gasmischung mit einer
Fluorkohlenstoffverbindung und Sauerstoff unter einem Druck von 180 Pa eingesetzt.
-
Bei einem bekannten Verfahren ist es möglich, die Dauer der Ätzung zu
reduzieren, wenn während einer einleitenden Phase eine erhöhte Sauerstoffkonzentration
in dem dem Plasma zugeführten Gas verwendet wird, und zwar so lange, wie die
Ätzung nur des Lacks erfolgt und die dielektrische Schicht an keiner Stelle freigelegt
ist. Wenn die am weitesten hervorstehenden Teile der dielektrischen Schicht 20 (wie der
Bereich 23) freigelegt sind, wird die einleitende Ätzphase beendet und müssen dann
solche Ätzbedingungen verwendet werden, daß die Materialien der dielektrischen
Schicht und des Lacks mit nahezu gleicher Geschwindigkeit geätzt werden.
-
Bei dem bekannten Verfahren wird die Ätzung dann für die beiden
Materialien Dielektrikum und Lack gleichzeitig fortgesetzt, indem eine Plasmagaszufuhr
verwendet wird, bei der der Anteil des Sauerstoffs im Verhältnis zur
Fluorkohlenstoffverbindung reduziert wird, entsprechend dem speziellen Anteil, der eine Gleichheit der
Ätzraten herbeiführt, wenn jedes dieser Materialien in Abwesenheit des anderen geätzt
wird. Bei einer Anordnung mit mehr als zwei verschiedenen Ebenen, wie sie hier als
Beispiel angeführt wird, war es mit dem gegebenen Verfahren jedoch nicht möglich,
schließlich eine plane Oberfläche der dielektrischen Schicht zu erhalten. Bei dem
angeführten, in Fig. 1A dargestellten Beispiel umfaßt die dielektrische Schicht vier
verschiedene Ebenen, wobei die Ebene N1 dem durch die Verbindungsleitung 16
entstandenen Profil entspricht, die Ebene N2 dem durch das Gate 12 der Transistoren
entstandenem Profil, die Ebene N3 dem durch die Feldoxidschicht 11 entstandenem Profil
und die Ebene N4 schließlich den aktiven Zonen auf der Oberfläche des
Halbleiterkörpers.
-
In der Praxis kann beobachtet werden, daß sich in bestimmten Gebieten
der Anordnung die Struktur in Form von identischen hintereinanderliegenden Zellen
wiederholt, die sich zueinander in geringem Abstand befinden. In diesen Gebieten kann
der Anteil der durch die Ebenen N1 bis N4 eingenommenen Fläche im Verhältnis zur
Gesamtfläche dieser Gebiete definiert werden. Fig. 2 zeigt ein Diagramm der relativen
kumulierten Flächen, die freigelegt werden, wenn nacheinander die Ebenen N1, N2,
N3, N4 überschritten werden, und zwar in Abhängigkeit von der Tiefe z des
Eindringens in die dielektrische Schicht. Dieses Diagramm, das der in Fig. 1A als Beispiel
angeführten Anordnung entspricht, zeigt eine typische und in der Praxis häufige
Besonderheit, die darin besteht, daß eine der Ebenen zwischen den äußeren Ebenen N1
und N4 einen größeren Teil der Gesamtfläche einnimmt, hier die Ebene N3, die aus
diesem Grunde "Hauptebene" genannt werden soll.
-
Unter Anwendung des bekannten Verfahrens ist es relativ einfach, eine bis
auf die Hauptebene N3 planarisierte Oberfläche der dielektrischen Schicht zu erhalten,
wobei das durch den Höhenunterschied zwischen der Ebene N3 und der N4 gebildete
Profil praktisch nicht verringert wird.
-
Daher wird erfindungsgemäß die gleichzeitige Ätzung der beiden
Materialien in zwei Schritten durchgeführt: ein erster Schritt, bei dem in der Plasmagaszufuhr
der Sauerstoffanteil im Verhältnis zur Fluorkohlenstoffverbindung höher ist als beim
zweiten Schritt. Erfindungsgemäß wird auch vorgeschlagen, den Zeitpunkt, zu dem das
Abbrechen des ersten Schrittes notwendig ist, anhand der Beobachtung der vom Plasma
erzeugten CO-Emissionslinie zu bestimmen.
-
Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Emissionsintensität der CO-Emissionslinie
mit einer Wellenlänge von 482,7 nm in Abhängigkeit von der Zeit t bei willkürlichem
Maßstab während eines Ätzvorgangs, bei dem die Plasmagaszufuhr und im besonderen
die Sauerstoffkonzentration im Verhältnis zur Fluorkohlenstoffverbindung während des
gesamten Vorgangs konstant gehalten wurde. Das zwischen t0 und t1 liegende
Zeitintervall entspricht der Ätzung nur des Lacks, das heißt der einleitenden Phase, während der
Teil der Kurve jenseits des Zeitpunktes t4 der völligen Freilegung der dielektrischen
Schicht und der Ätzung nur dieses Materials entspricht. Zwischen den Zeitpunkten t1
und t4 weist der Kurvenverlauf der Emissionsintensität einen plötzlichen
Intensitätsanstieg auf, dessen Maximum sehr genau den Zeitpunkt t3 markiert. Wie im folgenden
erklärt werden soll, entspricht der Zeitpunkt t3 sehr genau dem Zeitpunkt, zu dem der
Lack im Laufe der Ätzung von der Hauptebene N3 entfernt worden ist. Die durch t1
und t2 markierten Zeitpunkte entsprechen den Zeitpunkten, zu denen die Ebenen N1
beziehungsweise N2 der Oberfläche der dielektrischen Schicht überschritten werden. Da
die freigelegten Flächenanteile auf den Ebenen N1 und N2 im Vergleich zur
Gesamtfläche oder im Vergleich zu der freigelegten Fläche auf der Hauptebene N3 klein sind,
bleiben auch die Intensitätsveränderungen der CO-Emissionslinien, wie sie auf der
Kurve in Fig. 3 zu sehen sind, ebenfalls klein.
-
Es wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt, bei denen die
Plasmagaszufuhrbedingungen identisch waren, nämlich:
-
Tetrafluormethandurchsatz CF4 = 70 cm³/min
-
Argondurchsatz = 650 cm³/min
-
Sauerstoffdurchsatz = 13 cm³/min
-
Anregungsleistung des Plasmas = 3,7 W/(cm² Substratfläche),
-
wobei der Druck auf etwa 185 Pa gehalten wurde und nacheinander Substrate geätzt
wurden, die gleichzeitig Lackschichtbereiche und Dielektrikumschichtbereiche in
festgelegten, bei jedem Versuch unterschiedlichen Anteilen aufwiesen.
-
Fig. 4 zeigt die verschiedenen, für die Ätzrate VR des Lacks erhaltenen
Werte in Abhängigkeit von der gleichzeitig während desselben Vorgangs geätzten
relativen Dielektrikumschichtfläche A. In der Kurve ist die Ätzrate VR auf einer
relativen Skala dargestellt, wobei der Wert 1 bei der erreichten Geschwindigkeit
gegeben ist, wenn nur das Lackmaterial geätzt wird, das heißt in Abwesenheit eines
Dielektrikums. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, variiert die Ätzrate beträchtlich in
Abhängigkeit vom Oberflächenanteil des gleichzeitig geätzten dielektrischen Materials.
-
Im Verlauf der gleichen Versuche bleibt die Ätzrate des Materials der dielektrischen
Schicht nahezu konstant. Dies läßt sich darauf zurückführen, das der durch die Ätzung
der dielektrischen Schicht freigesetzte Sauerstoff wenigstens teilweise wieder im Plasma
zum Einsatz kommt und so zur Ätzung des Lacks beiträgt, der gleichzeitig derselben
Behandlung unterzogen wird. Die Ätzung der dielektrischen Schicht hängt ihrerseits
hauptsächlich von der Menge Fluorionen ab, die bei der Ätzung eingesetzt werden, und
bleibt relativ unbeeinflußt von der Sauerstoffkonzentration, was das Ausbleiben einer
merklichen Veränderung der Ätzrate des Dielektrikums bei diesen Versuchen erklärt.
-
Es sei darauf hingewiesen, daß Ergebnisse erhalten werden, die mit denen
aus Fig. 4 praktisch identisch sind, wenn der CF&sub4;-Durchsatz auf 52 cm²/min reduziert
und ein Durchsatz CHF&sub3; von 18 cm³/min hinzugefügt wird, wobei der
Sauerstoffdurchsatz dann auf 18 cm³/min eingestellt wird.
-
Man kann versuchen, die Form der experimentellen Kurve aus Fig. 3
qualitativ zu beschreiben. Zwischen den Zeitpunkten t0 und t1, das heißt bei der Ätzung
nur des Materials des Lacks, ist die Menge des durch die Ätzung erzeugten CO auf
einen konstanten Wert beschränkt, der der Sauerstoffkonzentration in den
Reaktionsgasen entspricht und niedrig ist. Nach dem Zeitpunkt t4 hingegen, das heißt, wenn nur
die dielektrische Schicht geätzt wird, wird die pro Zeiteinheit erzeugte CO-Menge durch
die im zugeführten Plasmagas enthaltene Kohlenstoffatomkonzentration beschränkt,
wobei die Menge des eingeleiteten Sauerstoffs sich zu dem durch die Ätzung der
dielektrischen Schicht erzeugten Sauerstoff addiert. Wenn die Hauptebene N3 während der
Ätzung vom Lack befreit wird, ergibt sich gleichzeitig eine sehr schnelle Vergrößerung
der freigelegten Dielektrikumoberfläche und eine entsprechende Verringerung der der
Ätzung ausgesetzten Lackoberfläche. Im Verlauf dieser schnellen Veränderung des
Verhältnisses der von den beiden Materialien bedeckten Oberflächen, ergibt sich für
eine kurze Zeit einerseits eine relativ große Dielektrikumoberfläche, die infolge ihrer
Ätzung für eine beträchtliche Sauerstofffreisetzung sorgt, und gleichzeitig eine relativ
große Lackoberfläche, die infolge der Ätzung Kohlenstoffatome freisetzt. So kann
erklärt werden, daß die CO-Emissionslinie zu dem Zeitpunkt, zu dem die Hauptebene N3
bei der Ätzung vom Lack befreit wird, ein Maximum erreicht.
-
Anhand einer einfachen Überlegung kann auf semi-quantitative Weise
erklärt werden, warum der Zeitpunkt t3, zu dem die maximale Emissionsintensität des
CO-Emissionslinie auftritt, nahezu genau dem Zeitpunkt entspricht, zu dem die
großflächigen planen Oberflächen ebenfalls vom Lack befreit werden. An der Oberfläche des
Substrats weisen bestimmte Gebiete wie die Kontaktflächen oder die Trennbahnen eine
plane Oberfläche ohne Profil auf. Das zur Aufbringung des Lacks verwendete
Verfahren liefert in diesen Gebieten eine Dicke, die als nominale Schichtdicke enom
bezeichnet werden soll. In den anderen Gebieten des Substrats, die ein sich in kurzem
Abstand periodisch wiederholendes Profil mit verschiedenen Ebenen aufweisen, soll
davon ausgegangen werden, daß das durchschnittliche Volumen des aufgebrachten Lacks
pro Flächeneinheit äquivalent zur nominalen Schichtdicke ist.
-
Es seien e&sub1;, e&sub2;, e&sub3; und e&sub4; (siehe Fig. 1) die Dicken der Lackschicht 21
senkrecht zu den jeweiligen Ebenen N&sub1;, N&sub2;, N&sub3;, N&sub4; der dielektrischen Schicht und s&sub1;,
s&sub2;, s&sub3; und s&sub4; die von diesen Ebenen eingenommenen Flächenanteile, so daß
s&sub1; + s&sub2;+ s&sub3; + s&sub4; = 1. Es läßt sich daher schreiben:
-
e&sub1;· s&sub1;i + e&sub2; · s&sub2; + e&sub3; · s&sub3; + e&sub4; · s&sub4; = enom (1)
-
Diese Beziehung läßt sich bezüglich der Dicke e&sub3; des Lacks der die
Hauptebene N&sub3; umformen zu:
-
e&sub3; · (s&sub1;+s&sub2;+s&sub3;+s&sub4;)+(e&sub1;-e&sub3;) · s&sub1;+(e&sub2;-e&sub3;) · s&sub2;+(e&sub4;-e&sub3;) · s&sub4; = enom (2)
-
oder auch:
-
e&sub3; = enom + (e&sub3;-e&sub1;) · s&sub1; + (e&sub3;-e&sub2;) · s&sub2; (e&sub4;-s&sub3;) · s&sub4; (3)
-
Die Beziehung (3) drückt aus, daß die Dicke e&sub3; der Lackschicht senkrecht
zur Hauptebene N3 der dielektrischen Schicht gleich der nominalen Dicke enom der
Lackschicht senkrecht zu den planen Bereichen mit beträchtlichen Abmessungen ist,
soweit das Volumen der Teile des Dielektrikums, die über die Hauptebene N3
hinausgehen, im Durchschnitt dem Volumen der fehlenden Teile des Dielektrikums unterhalb
der Hauptebene N3 entspricht.
-
Aufgrund der Tatsache selbst, daß die Hauptebene N&sub3; hypothetisch einen
beträchtlichen Flächenanteil s&sub3; relativ zu den anderen Flächenanteilen einnimmt, was
sich in der Praxis sehr häufig bestätigt, bleibt die Dicke e&sub3; des Lacks, der die
Hauptebene bedeckt, nahezu gleich der nominalen Dicke enom. Bei dem bis jetzt als Beispiel
dienenden Fall ergibt sich durch numerisches Einsetzen in die Beziehung (3):
-
e&sub3; = enom+ 7 nm,
-
das heißt e&sub3; ist nahezu gleich enom.
-
Somit werden die Hauptebene N3 des Profils und die planen Gebiete mit
beträchtlichen Abmessungen im Verlauf der Ätzung beinahe gleichzeitig vom Lack
befreit. Dies führt einerseits dazu, daß die Intensitätszunahme des Emissionspeak der
CO-Emissionslinie während der Ätzung deutlich wiedergegeben wird. Andererseits wird
bei der Erfindung diese Eigenschaft vorteilhaft genutzt, um genau zu bestimmen, zu
welchem Zeitpunkt die erste Phase der Ätzung abgebrochen werden muß.
-
In der Mehrzahl der in der Praxis auftretenden Fälle ist der Unterschied
zwischen der Dicke e&sub3; der Lackschicht senkrecht zur Hauptebene N3 und der Dicke
enom senkrecht zu den planen Gebieten mit beträchtlichen Abmessungen sehr klein und
kann vernachlässigt werden. Das Abbrechen der ersten Ätzphase erfolgt also zum
gleichen Zeitpunkt, zu dem die CO-Emissionslinie ihren plötzlichen Intensitätsanstieg
aufweist (Zeitpunkt t3).
-
In anderen Fällen, in denen sich durch Anwenden der Beziehung (3) zeigt,
daß e&sub3; > enom mit einem signifikanten Dickenunterschied, kann die erste Phase der
Ätzung vorzugsweise eine kurze Zeitspanne nach dem Intensitätsanstieg der CO-
Emissionslinie abgebrochen werden, wobei die Dauer dieser Zeitspanne leicht
experimentell bestimmt werden kann.
-
Der erste Schritt der Ätzung wird daher unterbrochen, indem die
Versorgung des Hochfrequenzgenerators abgeschaltet wird. Die Gaszufuhrbedingungen des
Ätzreaktors werden dann verändert, und vor allem wird der Sauerstoffanteil im
Verhältnis zur Fluorkohlenstoffverbindung so reduziert, daß eine Ätzrate des Dielektrikums
erhalten wird, die 1 bis 1,5 mal so groß wie Ätzrate des Lacks unter den tatsächlichen
Bedingungen des zweiten Schrittes ist, das heißt bei dem Oberflächenanteil der
dielelektrischen Schicht, die dann freiliegt. Die dem Ätzreaktor zugeführten Gasmengen, die
den hinsichtlich der zweiten Phase der Ätzung veränderten Bedingungen entsprechen,
werden während eines kurzen Zeitraums ohne Hochfrequenzversorgung stabilisiert.
-
Die bei der Beschreibung von Fig. 1A als Beispiel herangezogene
Halbleiteranordnung befindet sich dann in einem Zustand, wie er in Fig. 1B dargestellt ist.
-
In diesen beiden Figuren haben gleiche Teile gleiche Bezugszeichen. Die dielektrische
Schicht 20, die während des ersten Schrittes geätzt wurde, weist nun eine neue freie
Oberfläche 25 auf, die nahezu plan ist und praktisch der Hauptebene N3 aus Fig. 1A
entspricht.
-
Nur die tiefste Ebene N4 der dielektrischen Schicht 20 ist noch von einem
zurückgebliebenen Teil der Lackschicht 26 bedeckt.
-
Anhand der Kurven in Fig. 5 wird nun gezeigt, wie die Ätzbedingungen
beim ersten und beim zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt
werden. Diese dargestellten Kurven wurden bei einer Versuchsreihe erhalten, bei der
der Tetrafluormethandurchsatz CF&sub4; 52 cm³/min betrug, zu der ein Trifluormethandurch-
Satz CHF&sub3; von 18 cm³/min hinzugefügt wurde, wobei der Druck auf 185 Pa und die
Anregungsleistung des Plasmas auf 3,7 W/cm² gehalten wurde. Die Kurven 30 und 31
in Fig. 5 zeigen das Verhältnis VO/VR der Ätzrate der dielektrischen Schicht VO zur
Ätzrate des Lacks VR in Abhängigkeit von verschiedenen Sauerstoffanteilen, die in die
Plasmagaszufuhr eingeleitet wurden.
-
Die Kurve 30 bezieht sich auf gleichartige Proben mit einem Anteil der
freiliegenden Dielektrikumoberfläche von 7%, während die Kurve 31 einer anderen
Reihe von gleichartigen Proben entspricht, bei denen der Anteil der freiliegenden
Dielektrikumoberfläche ungefähr 90% betrug. Bei einer Probe der im Beispiel aus den
Fig. 1 und 2 beschriebenen Art, deren am weitesten hervorstehende Teile der
dielektrischen Schicht, das heißt die Teile der Ebene N1, einen Oberflächenanteil von
ungefähr 7% einnehmen, wurde während des ersten Schrittes der Ätzung ein
Sauerstoffdurchsatz von 18 cm³/min gewählt, was unter Bedingungen, die denen in Fig. 5
entsprechen, ein Verhältnis VO/VR von 1,15 ergab. Vorzugsweise wird vorteilhafterweise
ein Verhältnis zwischen 1 und 1,5 gewählt.
-
Beim zweiten Schritt der Ätzung, bei dem nur die Teile der Oberfläche
der dielektrischen Schicht 20, die tiefer liegen als die Hauptebene N3, noch mit Lack
bedeckt sind, während der Oberflächenanteil der freigelegten dielektrischen Schicht
ungefähr 90% beträgt, wurde für die Plasmagasversorgung ein Sauerstoffdurchsatz von
6 cm³/min gewählt, was wie in Fig. 5 angegeben ein Verhältnis VO/VR von 1,15
ergibt. Auch in dieser Phase wird vorteilhafterweise ein Verhältnis VO/VR gewählt, das
zwischen 1 und 1,5 liegt.
-
Bei Versuchen wurde beobachtet, daß es bei der Ätzung, wenn zur
Plasmagasversorgung ein bestimmter Teil der Menge Tetrafluormethan CF&sub4; durch eine
gleiche Menge Trifluormethan CHF ersetzt wird, notwendig ist, die Sauerstoffmenge
etwas zu erhöhen, um das gleiche Ergebnis, das heißt beispielsweise ein Verhältnis
VO/VR = 1, zu erhalten. Die Einleitung eines Anteils Trifluormethan zusammen mit
dem Tetrafluormethan ist daher vorteilhaft, damit der beim zweiten Schritt der Ätzung
zu verwendende Sauerstoffdurchsatz positiv oder gleich null bleibt. Fig. 5 zeigt
nämlich, daß es immer noch notwendig ist, den Sauerstoffanteil im Verhältnis zur
Fluorkohlenstoffverbindung im Verlauf des zweiten Schrittes bezüglich der beim ersten
Schritt verwendeten Menge so zu reduzieren, daß im Verlauf jedes dieser Schritte eine
Ätzrate des Dielektrikums beibehalten wird, die zwischen 1- bis 1,5-fachen der Ätzrate
des Lacks liegt.
-
Das Ende des zweiten Schrittes der Ätzung erfolgt, nachdem die
Oberfläche der dielektrischen Schicht 20 vollständig vom Lack befreit worden ist. Der
Zeitpunkt, zu dem der zweite Schritt unterbrochen werden muß, wird mit Hilfe eines
der üblichen Verfahren festgelegt, das beispielsweise auf der Einhaltung einer genauen
Betriebsdauer oder der Beobachtung einer der Linien des Emissionsspektrums des
Plasmas beruht, oder auch durch optische Interferometrie an dem übrigbleibenden Teil der
dielektrischen Schicht 20.
-
Am Ende der Verfahrens wird eine neue freie Oberfläche der
dielektrischen Schicht 20 erhalten. Sie ist in Fig. 1B mit gestrichelten Linie 35 angegeben.
-
Diese neue freie Oberfläche 35 ist praktisch frei von Profil, wenn
erfindungsgemäß vorgegangen wird, wobei die zurückbleibenden Unebenheiten im
allgemeinen weniger als 50 nm betragen. Danach kann zu den Schritten übergegangen
werden, durch die eine Verdrahtungskonfiguration auf der Oberfläche der
Halbleiteranordnung angebracht werden soll, wobei die neue freie Oberfläche 35 der
dielektrischen Schicht 20 die gewünschte, von groben Unebenheiten freie Basis für die
Aufbringung einer Leiterbahnenschicht liefert.
-
Auch wenn die Erfindung anhand einschränkender Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, sind für den Fachmann leicht vorstellbare Varianten
selbstverständlich möglich. Vor allem wurden beispielhaft bevorzugte Bedingungen genannt,
unter denen die Plasmaätzung durchgeführt wird. Es dürfte einleuchten, das diese
Bedingungen weitgehend verändert werden können, vor allem hinsichtlich der Werte für
den Druck, die Leistung und die Frequenz des Hochfrequenzgenerators, wobei diese
Werte im allgemeinen von der Art der verwendeten Apparatur abhängen. Außerdem
können anstelle des Tetrafluormethans (CF&sub4;) oder der Mischung aus Tetrafluormethan
und Trifluormethan (CF&sub4;-CHF&sub3;), die als Fluorkohlenstoffverbindungen bezeichnet
werden, auch die Verbindung CHF&sub3; allein oder andere Verbindungen aus der durch die
allgemeine Formel CxFy dargestellten Gruppe oder noch eine ganz andere geeignete
fluorreiche Verbindung verwendet werden.