DE3104024C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrominiatur-Bauelementes, wobei wie nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 gearbeitet wird.
Ein solches Verfahren ist aus "J. Vac. Sci. Technol.", Bd. 16, Nr. 2, März/April 1979, Seiten 410 bis 413 bekannt.
Hiernach wird einkristallines dotiertes oder undotiertes Silicium in einer Vorrichtung für reaktives Zerstäubungssätzen anisotrop geätzt, und zwar dadurch, daß zwischen einer das zu ätzende Siliciumteil haltenden Kathodenelektrode und einer Anodenelektrode ein chlorhaltiges gasförmiges Milieu eingeführt und ein Plasma zwischen den Elektroden mit Hilfe eines aufgeprägten elektrischen HF-Feldes erzeugt wird. Als Ätzgasmilieu dient dabei mit Argon oder Helium im Verhältnis von etwa 4 : 1 verdünntes Chlorgas bei typischen Chlor- und Argondrücken von 0,27 bzw. 1,07 Pa. Als Plasmaleistungsdichte an der zu ätzenden Oberfläche werden 0,67 Watt/cm2 bei 13,56 MHz oder dem doppelten hiervon angegeben.
Die Ätzung erweist sich unter den angegebenen Bedingungen mit Ausnahme für stark dotiertes Silicium als anisotrop, wobei die Ätzgeschwindigkeit für kristallographisch unterschiedlich orientierte, d. h. nach (111) und nach (100) orientierte Siliciumwafer, als gleich hoch angegeben, wird. Die benutzte Apparatur entspricht dabei im einzelnen der in J. Vac. Sci. Technol. 15(2), März/April 1978, Seiten 334 bis 337 beschriebenen. Hiernach werden die zu ätzenden Siliciumwafer auf einer mit einer Quarzplatte abgedeckten Kathodenelektrode angeordnet, also mit Blick auf die sehr hohe Betriebsfrequenz kapazitiv angekoppelt. Auch tritt bei diesem Ätzmilieu ein unerwünscht hoher Beschickungseffekt auf; und höhere Chlorkonzentrationen als die angegebenen typischen Werte führen insbesondere bei stärkerer Dotierung zu isotroper Ätzung. Unabhängig davon hat sich aber gezeigt, daß unter diesen Bedingungen dotiertes polykristallines Silicium ("Polysilicium") generell nicht anisotrop geätzt werden kann.
Bei der Herstellung von beispielsweise LSI-Bauelementen auf Siliciumbasis sind aber regelmäßig nicht nur einkristalline Siliciumflächen sondern auch dotierte Polysiliciumflächen (beispielsweise für Leiterbahnen) in vergleichbarer Musterfeinheit anisotrop zu ätzen.
Aus Philips technische Rundschau 38, 203-214, 1979, Nr. 7/8 ist es bekannt, Polysilicium anisotrop in CCl4- oder CF4+O2- haltigen Ätzmilieus im reaktiven Zerstäubungsverfahren unter Benutzung eine HF-Plasmas zu ätzen. Dabei wird angesprochen, daß die zu ätzenden Wafer auf der Kathodenelektrode liegen können, aber ein direkter Kontakt zwischen Elektroden und Plasma wegen der hohen Frequenzen (13,56 MHz) nicht nötig ist und mit kapazitiver Kopplung gearbeitet werden kann. Nicht angesprochen wird, daß das Polysilicium dotiert sein muß oder ist. Die angegebenen Ätzmilieus führen aber zu rauhen Ätzflächen und polymeren Niederschlägen im Falle von CCL4, und zu unerwünscht hohem Beschickungseffekt im Falle von CF4+O2.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, das eingangs erörterte bekannte Verfahren so weiterzubilden, daß damit auch anisotropes Ätzen von dotiertem Polysilicium durch reaktives Zerstäubungsätzen besonders gut möglich ist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Hiernach ist es wesentlich, daß mit unverdünnter Chloratmosphäre gearbeitet wird und daß die Bodenfläche des zu ätzenden Siliciumsteils in elektrischem Kontakt mit der Kathodenelektrode steht.
Man erreicht dadurch auch für dotiertes Polysilicium ein anisotropes Ätzverhalten selbst bei wesentlich höheren Chlorkonzentrationen und begleitenden relativ hohen Ätzgeschwindigkeiten als bei dem bekannten für die Ätzung von einkristallinem Silicium zugeschnittenen Verfahren. Es ergibt sich auch Beschickungsfreiheit und eine erheblich verbesserte Ätzselektivität, da sich dotiertes Polysilicium etwa 50 mal schneller als Siliciumdioxid und etwa 6 mal schneller als das Abdeckmaterial ätzen läßt (die entsprechenden Werte sind für einkristallines Silicium Faktor 30 bzw. Faktor 3).
Nachstehend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines parallele Platten aufweisenden Reaktors, in dem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann,
Fig. 2 eine Querschnittansicht einer maskierten polykristallinen Siliciumschicht, die im vorliegenden Verfahren geätzt wird.
Der in Fig. 1 dargestellte Parallelplatten-Raktor umfaßt eine Ätzkammer 10, die durch einen lichtleitenden Zylinder 12 und zwei leitende Stirnplatten 14 und 16 gebildet wird. Der Zylinder 12 kann aus Glas bestehen, und die Platten 14 und 16 aus Aluminium. Weiterhin enthält der dargestellte Reaktor einen leitenden Werkstückhalter 18 ebenfalls aus Aluminium. Die Unterseite des Halters 18 ist eine z. B. 25,4 cm große Kreisfläche, die zur Aufnahme von sieben, jeweils 7,6 cm großen Wafern ausgelegt ist.
Die Wafer 20, deren untere Flächen (Vorderseiten) zu ätzen sind, sind auf der Unterseite einer Platte 22 angeordnet. Die Platte 22 ist am Halter 18 beispielsweise durch Klammern oder Schrauben befestigbar und ist aus leitendem Material, z. B. Aluminium. Die oberen Flächen, die Rückseiten der Wafer 20 werden in elektrischem Kontakt mit der Platte gehalten.
Die Wafer 20 werden auf der Platte 22 durch eine mit Öffnungen ausgestattete Deckplatte 24 fixiert. Jede Öffnung hat geringfügig kleineren Durchmesser als der dahinterliegende entsprechend ausgerichtete Wafer. Der Hauptteil der Vorderseite jedes Wafers ist daher für den Ätzvorgang freigelegt. Die Deckplatte 24 ist an der Platte 22 lösbar befestigt.
Vorteilhafterweise besteht die Deckplatte 24 aus schwer zerstäubendem Material, das auch nicht mit dem Ätzgas unter Bildung eines nichtflüchtigen Materials reagiert. Hierfür kommen anodisiertes Aluminium und Quarzglas in Frage.
Der Werkstückhalter 18 gemäß Fig. 1 über ein HF-Abstimmnetzwerk 26 kapazitiv an einen HF-Generator 28 gekoppelt, der den Halter 18 bei einer Frequenz von z. B. 13,56 Megahertz betreibt. Weiterhin ist der Halter 18 über ein Filternetzwerk, das eine Spule 30 und einen Kondensator 32 aufweist, an ein HF-Spitzenspannungs-Meßgerät 34 angeschlossen.
Die Stirnplatte 14 liegt auf Bezugspotential typischer Masse und bildet die Anode des Reaktors. Der Werkstückhalter 18 bildet die betriebene Kathode des Reaktors. Zum Beispiel beträgt der Abstand zwischen Anode und Kathode etwa 25,4 cm und der Durchmesser der Anodenplatte etwa 43,2 cm.
Die Stirnplatte 16 liegt ebenfalls auf Masse. An sie ist eine nach unten offene zylindrische Abschirmung 36, die den Halter 18 umgibt, leitend angeschlossen. Derjenige Abschnitt des Halters 18, der sich durch die Platte 16 erstreckt, ist von der Platte 16 elektrisch durch eine nichtleitende Buchse 38 isoliert.
In der Kammer 10 wird eine Chlorgasatmosphäre erzeugt. Das Chlorgas strömt von einer Quelle 40 gesteuert in die Kammer. Weiterhin wird durch eine Pumpe 42 in der Kammer ein vorgegebener niedriger Druck aufrechterhalten.
Durch Eingeben von Chlorgas in die Kammer 10 und durch Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen der Anode 14 und der Kathode 18 wird in der Kammer 10 ein reaktives Plasma erzeugt. Das Plasma ist in der Zeichnung kenntlich gemacht durch einen gleichförmigen dunklen Saum in unmittelbarer Nähe der zu ätzenden Werkstoffoberfläche. An den Werkstoffoberflächen während des Ätzvorganges gebildete flüchtige Stoffe werden durch die Pumpe 42 aus der Kammer abgesaugt.
Das anisotrope Ätzen dotierter polykristalliner Siliciumschichten ("Polysilicium") hat besondere Bedeutung bei der Herstellung von LSI-Bauelementen. So ist es bei der Herstellung von MOS-RAMs typischerweise in verschiedenen Verfahrensschritten notwendig, dünne Schichten dotierten Polysiliciums mit einem exakten Muster zu versehen.
Fig. 2 zeigt eine dünne (z. B. 50 mm starke) SiO₂-Schicht 50 auf einem einkristallinen Siliciumteil 52. Auf der Schicht 50 befindet sich eine Polysiliciumschicht 54, die zu ätzen ist. Sie ist z. B. 500 mm stark und trägt auf ihrer Oberseite eine gemusterte Maskierschicht 56.
Fig. 2 ist eine Prinzip-Darstellung verschiedener Abschnitte eines MOS-RAM-Bauelements. In einigen Abschnitten des herzustellenden Bauelements besteht die Schicht 54 aus dotiertem Polysilicium, die übliche Bezeichnung hierfür ist Poly-1-Ebene. In anderen Abschnitten desselben Bauelements besteht die Schicht 54 aus nichtdotiertem Polysilicium. Diese nichtdotierte Schicht wird für gewöhnlich als Poly-2-Ebene bezeichnet.
Mit dem vorliegenden Verfahren können neben undotierten Polysilciumschichten nun auch dotierte Polysiliciumschichten anisotrop geätzt werden. Das anisotrope Ätzen der Schicht 54 ist in Fig. 2 durch die gestrichelten Linien 58 dargestellt. Ein vollständiges isotropes Profil ist in Fig. 2 durch die gestrichelten Linien 60 angedeutet. Es ist auch möglich, den Anisotropiegrad bei der einer dotierten Polysiliciumschicht selektiv zu steuern, um in der Schicht ein Ätzprofil zwischen dem in Fig. 2 dargestellten vollständig anisotropen und vollständig isotropen Fall zu erreichen.
Der Ausdruck "dotiertes" Polysilicium bezieht sich im vorliegenden Zusammenhang auf eine Polysiliciumschicht, der ein p- Dotierstoff, oder beispielsweise Phospor, zugegeben wurde. Die Dotierstoffkonzentration einer solchen Schicht wird so gesteuert, daß sich ein spezifischer Widerstand im Bereich zwischen 20 und 100 Ohm-cm ergibt.
Verschiedene Materialien zum Ausbilden der gemusterten Maskierschichten 56 sind möglich, z. B. organisches und anorganisches Abdeckmaterial, Siliciumdioxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Titan, Tantal, Wolframoxid, Kobaltoxid und die feuerbeständigen Siliciumverbindungen von Titan, Tantal und Wolfram.
Im vorliegenden Verfahren wird reaktives Zerstäubungsätzen von dotiertem polykristallinem Silicium in einem Ätzmilieu, das aus im wesentlichen reinem Chlor besteht. Typischerweise bedeutet dieses, daß Chlorgas einer Reinheit von etwa 95 bis 99,5% der einzige Bestandteil ist, der beabsichtigt in die Kammer eingegeben wird. Unter den hier spezifizierten Verfahrensbedingungen dient eine solche reine Chlorgasatmosphäre zum Erzielen einer relativ hohen Ätzgeschwindigkeit für Silicium. Dabei ist die Selektivität zwischen dem zu ätzenden Silicium und anderen Schichten (wie z. B. der Maskierschicht und anderen Schichten in der Bauelementstruktur, die z. B. aus Siliciumdioxid bestehen) relativ hoch. Darüberhinaus hat die Verwendung von ausschließlich Chlorgas als in die Kammer eingegebenes Medium den Vorteil einer relativ einfachen Steuerbarkeit, da nur eine einzige Gasquelle betroffen ist.
Das Ätzen kann in dem dargestellten Parallelplatten-Reaktor durchgeführt werden, oder aber in einem Mehrfacetten-Reaktor ebenfalls bekannter Bauart. Zum Beispiel wird ein Chlordruck von etwa 0,67 Pa in der Ätzkammer erzeugt. Für den dargestellten Parallelplatten-Reaktor wird in die Ätzkammer Chlorgas vorteilhaft mit einem Durchsatz von etwa 10 cm3 pro Minute eingeführt. Bei einem Mehrfacetten-Reaktor wird ein Chlorgasstrom von etwa 30 cm3 pro Minute erzeugt.
Bei einem Mehrfacetten-Reaktor wird beispielsweise mit einer Leistungsdichte von etwa 0,20 Watt pro cm2 an den Oberflächen des zu ätzenden Werkstücks gearbeitet, bei einem Parallelplatten-Reaktor beispielsweise mit 0,25 Watt pro cm2.
Unter diesen Bedingungen war in beiden Reaktortypen die anisotrope Ätzrate für dotiertes Polysilicium etwa 120 Nanometer pro Minute.
Um das anisotrope Ätzen einer dotierten Polysiliciumschicht in der beschriebenen Weise zu erreichen, ist es wesentlich, daß die Rückseite des zu ätzenden Werkstücks während des Ätzvorgangs in gutem elektrischen Kontakt mit der betriebenen Kathodenelektrode gehalten wird. Andernfalls ergibt sich isotropes Ätzen der dotierten Polysiliciumschicht. (Bei nichtdosiertem Polysilicium und bei einkristallinem Silicium wird jedoch anisotropes Ätzen unabhängig davon erreicht, ob die Rückseite des Werkstücks elektrischen Kontakt mit der betriebenen Kathodenelektrode hat, oder kapazitiv angekoppelt ist.)
Während unter vergleichbaren Bedingungen einkristallines Silicium und nichtdotiertes Polysilicium etwa dreißigmal schneller als Siliciumdioxid und etwa dreimal schneller als das Abdeckmaterial geätzt wird, wird dotiertes Polysilicium überraschenderweise etwa fünfzigmal schneller als Siliciumdioxid und etwa sechsmal schneller als das Abdeckmaterial, geätzt.
Im allgemeinen kann anisotrop geätzt werden bei Chlordrücken von 0,27 bis 6,67 Pa Chlor-Durchsätzen von 2 bis 150 cm³ pro Minute (mit Ausnahme, daß zum Ätzen in dem erwähnten Mehrfacetten- Reaktor der Durchsatz wenigstens 10 cm³ pro Minute betragen muß) und bei Leistungsdichten von 0,03 bis 2 Watt pro cm².
Weiterhin wurde gefunden, daß durch Schaffen spezieller Bedingungen das Ätzverfahren mit Blick auf eine gezielte Variationsmöglichkeit zwischen vollständiger Anisotropie und vollständiger Isotropie, gesteuert werden kann.
Für vollständig isotropes reaktives Zerstäubungsätzen von dotiertem Polysilicium in einer Chlorgasatmosphäre innerhalb eines Parallelplatten-Reaktors werden z. B. ein Chlordruck von etwa 2,67 Pa, ein Durchsatz von etwa 10 cm³ pro Minute und eine Leistungsdichte von 0,125 Watt pro cm² gewählt. Die entsprechenden Zahlen in einem Mehrfacetten-Reaktor sind 2,67; 30 bzw. 0,10. Durch Variieren dieser Parameter zwischen diesen Werten und den oben spezifizierten Werten für anisotropes Ätzen kann das Kantenprofil der geätzten Schicht so gesteuert werden, daß es irgendwo zwischen vollständiger Isotropie und vollständiger Anisotropie liegt.
Wenn somit diese Parameter beispielsweise zu 2 Pa, 10 cm³ pro Minute und 0,20 Watt pro cm² gewählt werden, erhält man Ätzbedingungen für dotiertes Polysilicium, die fast exakt zwischen vollständiger Isotropie und vollständiger Anisotropie liegen. Unter diesen Bedingungen beträgt die Größe der Unterschneidungen (maximales seitliches Ätzen) etwa die Hälfte der vertikalen Ätztiefe.
Andererseits kann das Ätzen allgemein mit Chlordrücken, Chlor-Durchsätzen und Leistungsdichten in den Bereichen 0,27 bis 6,67 Pa, 2 bis 150 cm³ pro Minute, bzw. 0,06 bis 2 Watt pro cm² ausgeführt werden. Indem aus diesen Bereichen spezielle Werte ausgewählt werden, um statt anisotropem Ätzen isotropes Ätzen dotierten Polysiliciums zu erhalten, besteht für jeden Satz ausgewählter Werte das Eigentümliche darin, daß für eine gegebene Leistungsdichte ein entsprechender Schwellenwertdruck vorliegt, oberhalb dessen isotropes Ätzen erfolgt. Bei ansteigender Leistungsdichte steigt der entsprechende Schwellenwertdruck für isotropes Ätzen linear an. Andererseits besteht für einen gegebenen Druck eine maximale Leistungsdichte, unterhalb derer isotropes Ätzen erfolgt.
Das Verfahren zeichnet sich auch durch eine relativ hohe Gleichförmigkeit der Ätzrate an jedem einzelnen Werkstück und von einem Werkstück zum anderen aus. Es wurde ermittelt, daß derartige Schwankungen in der Ätzrate in der Praxis nicht über ±2% liegen.
Darüber hinaus zeigt das Verfahren keinen Beschickungseffekt. (wie man weiß, ist der Beschickungseffekt die Abhängigkeit der Ätzzeit von der zu ätzenden Gesamtfläche.) In diesem Zusammenhang wurde weiterhin ermittelt, daß das Kantenprofil, die Ätzrate und die Selektivität jedes dieser Bearbeitungsvorgänge praktisch unabhängig ist von der speziellen Mustergeometrie, Formgröße und dem beim Ätzen verwendeten Maskenmaterial.

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen eines Mikrominiatur-Bauelementes, bei dem im Zuge des Verfahrensablaufs wenigstens einmal ein maskiertes Siliciumteil selektiv in einer Vorrichtung für reaktives Zerstäubungsätzen anisotrop zu ätzen ist, wobei die Vorrichtung ein zwischen einer Anodenelektrode und einer das zu ätzende Siliciumteil haltenden Kathodenelektrode erzeugtes Plasma einschließt, das durch Aufprägen eines elektrischen HF-Feldes auf ein zwischen die Elektroden eingeführtes chlorhaltiges gasförmiges Milieu erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - der zu ätzende Teil des Siliciumteils (20) dotiertes polykristallines Silicium ist,
  • - die Bodenfläche des Siliciumteils in elektrischem Kontakt mit der Kathodenelektrode steht, und
  • - das gasförmige Milieu im wesentlichen reines Chlor ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
  • - einen Chlordruck von 0,27 bis 6,67 Pa und
  • - eine Leistungsdichte von 0,03 bis 2 Watt/cm2 an der zu ätzenden Oberfläche.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch
  • - einen Chlordurchsatz von 2 bis 150 cm3/Minute.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mit einem Parallelplattenreaktor gearbeitet wird, gekennzeichnet durch
  • - einen Chlordruck von etwa 0,67 Pa,
  • - einen Chlordurchsatz von etwa 10 cm3/Minute und
  • - eine Leistungsdichte von etwa 0,25 Watt/cm2 an der zu ätzenden Oberfläche.
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