DE3214626A1 - Verfahren zum selektiven aetzen von polykristallinem siliziummaterial - Google Patents
Verfahren zum selektiven aetzen von polykristallinem siliziummaterialInfo
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Description
Verfahren zum selektiven Ätzen von polykristallinem
Siliziummaterial
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Herstellung von Halbleitern und Insbesondere auf eine
Plasmaätztechnik zum Ätzen von polykristallinem Silizium (Polysilizium).
Die Herstellung von Halbleiteranordnungen und der zugehörigen Dünnschichtverdrahtung erfordert Üblicherwelse
das Ätzen von die Anordnung bildenden bestimmten Schichten. Typisch wird die zu ätzende Fläche mit
einem Material, wie z. B. Photoresist, maskiert, wobei die Maske ein Muster von Linien und Flächen bildet,
das die zu ätzende Schicht freilegt. Bei früheren Ausführungsarten wurde das Ätzen nach einem nassen
chemischen Verfahren durchgeführt, bei dem das Ätzmaterial, typisch oxidierende Mineralsäuren, die freigelegte
Oberfläche kontaktierte.
Neuere Verfahren verwenden Gasplasma, insbesondere
:»32Η626
Fluorbasisgase, die aus der gesättigten Halogenkohlenstoffgruppe
ausgewählt sind und einige der unerwünschten Wirkungen der nassen chemischen Arbeitsweise beseitigen.
Jedoch war das Ätzen in beiden Verfahren grundsätzlich isotrop. Beim isotropen Ätzen sphreitet das zufällige
Ätzen mit gleichmäßiger Geschwindigkeit in allen Richtungen fort. Während die zu ätzende Oberfläche
entfernt wird,, findet die Ätzwirkung nicht nur vertikal
in die Oberfläche hinein, sondern auch horizontal gegen die Kante der durch das Ätzen geschaffenen Ausnehmung
statt. So erleidet die zu ätzende Fläche eine Hinterschneidung,
in der das Material nicht nur vertikal in Ausrichtung zur Kante der öffnung in der Photoresistmaske
geätzt wird, sondern sich der Ätzbereich auch unterhalb der Photoresistmaske erstreckt. Typisch
reicht diese Hinterschneidung horizontal im wesentlichen
gleich weit wie das vertikale Ätzen.
Da der Trend zur Miniaturisierung fortschreitet, wird die Bemessung zu Mikrometer- und Submirometerabraessungsbereichen
Tatsache«, Dies stellt strenge Anforderungen an Ätzprofile, insbesondere in der
Richtung vertikaler Ätzprofile mit geringer Hinterschneidung. Diese Art des Plasmaätzens, gewöhnlich
als anisotropes Ätzen bezeichnet, ist das Ergebnis von Richtwirkungen, die das isotrope Ätzen unterdrücken.
Im Idealfall liefert es eine vertikale Ätzwand in einer derjenigen sehr nahe kommenden Ebene, die durch
die Resistkante vor dem Ätzvorgang vorgezeichnet ist.
Da die Lithographietechniken verbessert werden, werden Linienmuster von Mikrometer- und Submikrometer-
•O2U626
abmessungen In Photoresistbildern möglich. Um diese
Bilder wirksam auf verschiedene Substrate zu übertragen, 1st ein verläßliches, reproduzierbares anisotropes
Ätzen erforderlich. Bisher wurde, um den Hinterschneidungseffekt des isotropen Ätzens zu
kompensieren, die Linienbreite in der Maske enger als die in der zu ätzenden Schicht gewünschte
Linienbreite gemacht, wodurch die Erweiterung der Linienbreite infolge der Hintersehne!dung vorweggenommen
wird. Mit dem Erfordernis viel kleinerer Abmessungen von Linienbreite und Zwischenräumen machte
der sich aus der Hinterschneidung ergebende Mangel an
Steuerung und Reproduzierbarkeit das isotrope Ätzen unanne.hmbar.
Ändere bekannte Techniken verwendeten ein reaktives Ionenätzen, das bei niedrigem Druck durchgeführt wird.
Jedoch gibt es, obwohl diese Technik gewisse anisotrop geätzte Gefüge mit einiger Selektivität liefern
kann, eine erhebliche Unsicherheit bezüglich einer Strahlungsschädigung infolge des hochenergetisch einfallenden
Ionenflusses.
Ein anderes, mit integrierten Siliziumschaltungen sehr großen Maßstabes (VLSI) zusammenhängendes Problem ist
die Bestrebung, daß eine vernünftig hohe Selektivität in der Ätzgeschwindigkeit von Polysilizium
(polykristallinem Silizium) gegenüber der Ätzgeschwindigkeit des darunterliegenden Siliziumdioxids auftritt,
um während des Ätzens eine genügende Kontrolle zur Bewahrung dünner und sehr dünner dielektrischer Siliziumdioxidunterschichten
in Feldeffektanordnungen zu sichern.
.\32H626
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Plasmaätztechnik zur Anwendung während der
Halbleiterherstellung zu entwickeln, bei der ein hochwirksames Polysilizium-Ätzen mit einem hohen
Selektivitätsgrad gegenüber dem Ätzen von Siliziumdioxid stattfindet und bei der ein hochanisotropes
Ätzen auftritt, um im wesentlichen vertikale Profile in den in der Polysiliziumschicht geätzten
Mustern zu erhalten, wobei das Abtragungsverfahren vorrangig auf chemischen Wechselwirkungen beruht
und von ungünstigen Strahlungsschädigungswirkungen frei ist.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst
wird„ ist ein Verfahren zum selektiven Ätzen von polykristallinem Siliziummaterial, mit dem Kennzeichen,
daß man das polykristalline Siliziummaterial in einer Reaktionskammer anordnet und das polykristalline
Silisiummaterial in der Kammer einem im wesentlichen aus Hochfrequenzentladungs-CFCl« bestehenden Gasplasma
zum Ätzen des Substrats aussetzte
Vorzugsweise wird das Gasplasma bei einem Druck zwischen 66,7 und 200 ,ubar (zwischen 50 und 150 ,uHg) eingesetzt.
Weitere Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 3 bis 5 gekennzeichnet»
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung mit einer
polykristallinen Siliziumschicht und einer Siliziumdioxidschicht,
bei dem man die polykristalline Silizium™
.'32U626
schicht bevorzugt ätzt, mit dem Kennzeichen, daß
man zum bevorzugten Ätzen der polykristallinen Siliziumschicht die Halbleiteranordnung in einer
Reaktionskammer anordnet und die Halbleiteranordnung in der Reaktionskammer einem im wesentlichen aus
CFCl3 bestehenden Ätzgas bei einem Druck zwischen 66,7 und 200 «ubar (zwischen 50 und 150 ,uHg) aussetzt.
Eine Ausgestaltung dieses Verfahrens, bei dem die polykristalline Siliziumschicht mit einem Linienmuster
zu ätzen ist, sieht vor, daß die Breiten weniger als 4 .um betragen und dem Gasplasma Strom mit
einem Durchsatz zwischen 0,2 und 2 W/cm Stromdichte zugeführt wird.
Erfindungsgemäß besteht also das Gasplasma im wesentlichen aus HF-entladenem "Freon 11" (CFCl3),
das bei mäßigen bis niedrigen Drücken, typisch 133 /Ubar (100 /UHg)-, zum hochwirksamen und gleichmäßigen
anisotropen Ätzen von Polysilizium verwendet wird.
Das Verfahren ist hochselektiv für Polysilizium gegenüber Siliziumdioxid und erzeugt im wesentlichen vertikal
geätzte Profile für Mustereinzelheiten im Bereich von unter 1 ,um bis zu einigen ,um (typisch 1 bis 4 ,um).
Nach einer Ausgestaltung beeinflußt der Zusatz von Heliumgas zu "Freon 11" (CFCl3) zur Bildung einer
binären Gasmischung vor der Entladung die Photoresistmaske
während des Ätzens wegen seiner hohen Wärmeübertragungseignung und der Verhinderung von Heiß-
nur punktbildung günstig. Dies führt zu einer unbedeutenden Beeinträchtigung des Photoresists während des Ätzens
des Polysiliziums ohne merkliche Beeinflussung der
..-:32U626
Durchschnittsätzgeschwindigkeit des Polysiliziums selbst« Diese Ätztechnik kann sowohl mit Einzelchargen-
als auch mit Produktionsliniensystemen zur Verarbeitung von Halbleiteranordnungen angewandt
werden und ist auch zum Ätzen von Polysiliaium beschichtenden
Metallsiliziden geeignet, Suizide von Titan,, Tantal,, Molybdän und Wolfram sind gute
Beispiele für ein solches Verfahren«
Die Erfindung wird anhand einer in der einzigen Figur der Zeichnung schematisch veranschaulichten,
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeigneten Vorrichtung näher erläutert«
In der Figur ist eine sur Verwendung beim erfindungsgemäßen
Verfahren geeignete Vorrichtung veranschaulicht» Die Reaktionskammer 22 ist allgemein von zylindrischer
Gestalt,, typisch aus Quarz oder einer anderen Art geeigneten Glases gebildet und durch einen O-Ring 28
gegenüber einsr Basisplatte 29 abgedichtet, die üblicherweise ebenfalls aus Quarz gebildet wird. Am
oberen Ende der Reaktionskammer 22 ermöglicht eine koaxiale Gasverteilungsstromeinheit 24 den Eintritt
von Gas in die Reaktionskammer 22» Eine allgemein scheibenförmig© und mit temperaturgesteuertem Wasser
gekühlte Elektrode 25 wird von einer Haltestange 26 getragen und ist einstellbar von der Oberseite der
Reaktionskammer 22 durch eine Elektrodenführung 43 und einer Reibungskupplung 44 positioniert« Ein geeignetes
Material für diese Elektrode 25 ist Aluminium» Das zu behandelnde Halbleitermaterial 30 ist auf
einem wassergekühlten und temperaturgesteuerten Tisch
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mit Wasserzufuhr durch ein Rohr 37 angeordnet. Eine öffnung 33 in der Basisplatte 29 ermöglicht eine
Verbindung einer (nicht dargestellten) Vakuumpumpe mit dem Inneren der Reaktionskammer 22 durch ein
(nicht dargestelltes) automatisches Drosselsteuerventil. Füllgas zur Reaktionskammer wird durch ein
Paar von Ventilen 40 und 41 zugeführt. Dem Ventil 40 wird Gas von einer (nicht dargestellten) Ätzgasquelle
36 durch einen Mengendurchflußregler 34 zugeführt. Eine (nicht dargestellte)Trägergasquelle 38
ist durch einen zweiten Mengendurchflußregler 35
und ein Ventil 41 angeschlossen. Der Druck in der Reaktionskammer 22 wird mit irgendeinem herkömmlichen Druckmesser,
wie z. B. einem elektrischen Kapazitätsmanometer 46, gemessen. HF-Energie ist von einem (nicht dargestellten)
HF-Generator durch eine Kopplungsschaltung 54 mit einstellbaren Induktivitäts- bzw. Kapazitätsbauelementen 52, 50, 56 mit der Elektrode 25 verbunden.
Der HF-Generator hat typisch eine Frequenz von 13 MHz und eine variable Ausgangsleistung. Geeignete Abmessungen
für die Elektrode 25 sind eine Scheibe von 11,43 cm Durchmesser und ein Abstand von 3,175 cm
zwischen der Scheibe und dem zu behandelnden Halbleitersubstrat.
Die zu ätzenden Substrate 30, die typisch eine dünne Siliziumdioxidschicht aufweisen, über der eine
Polysiliziumschicht liegt, werden auf dem gekühlten Substrattisch 27 angebracht, der auf Erdpotential gehalten
werden kann. Die Polysiliziumschicht ist gewöhnlich mit Phosphor auf einen Flächenwiderstand im Bereich
von 10 bis 20 Ohm je Quadrat dotiert. Die Silizium-
OO I» O ο
■32U626
- ΊΟ -
dioxidunterschicht ist gewöhnlich thermisch aufgewachsen und verdichtet. Das Polysilizium wurde mit
einem "Shipley 1350 J"-Photoresist gemustert und
mild ausgeheizte Die Reaktionskammer 22 wird auf einen Basisdruck von angenähert 6,67 bis 20 ubar
(5 bis 15 yUHg) evakuiert, bei welchem Punkt das
Ätzmittel mit oder ohne Heliumgas eingeführt wird. Als der geeignete Druck des Ätzgases erhalten war,
wurde die HF-Entladung begonnen,, und man begann die
Ätzreaktion und ließ sie bis zur Vollendung ablaufen ο Der Ätzendpunkt zum Abschluß des Ätzvorganges wurde
visuell durch Beobachtung des Verschwlndens der mit der Polysiliziumschicht zusammenhängenden Interferenzstreifen
bestimmtο Als der Endpunkt erreicht war, unterbrach man die Entladung und den Gasstrom
und ließ das System auf den Basisdruck zurückpumpen. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Reaktionskammer 22 mit
Argon aufgefüllt, und die Probe wurde entnommen.
Nach der Entnahme der Probe wurde das Anordnungs™
muster, für das die Breite der Linien und Zwischenräume
vor dem Ätzen gemessen worden war, nach Entfernung des Photoresists erneut untersucht, um die Abmessungssteuerung während des Ätzens zu bestimmen. Diese Vergleichsmes^ungen
lieferten Angaben bezüglich der Ätzschärfe, die mit diesem Verfahren erhalten werden kann«
In anderen Versuchen wurden Ätzprofile nach dem Ätzen, jedoch vor Entfernung des Photoresists,durch Spalten
der Probe und deren Untersuchung mit einem Abtastelektronenmikroskop untersucht«.
Druck (,ubar)
HF-Strgmdichte
(W/ cnT)
PoIy-S i-Ätzgeschwindigkeit (nm/min)
SiO2-AtZ-geschwindigkeit
(nm/min)
Selektivität
Freon 13 (CF3Cl) |
66,7 133,3 200 |
0,24 0,24 0,24 |
0,98 0,98 0,98 |
1,47
1,47 1,47 |
1,96 1,96 1,96 |
30 70 110 |
90 200 400 |
190 360 620; |
220 430 680 |
27,5 66/3 144,5 |
8 4,- |
5
7 |
Fr eon 12" (CF2Cl2) |
66,7 133,3 200 |
0,24 0,24 0,24 |
0,98 0,98 0,98 |
1,47 1,47 1,47 |
1,96 1,96 1,96 |
50 110 170 |
160 330 530 |
310 470 680 |
420 570 760 |
24,7 45,5 75,5 |
17
1I', |
5
8 |
Fr eon ll" (CFCl3) |
66,7 133,3 200 |
0,24 0,24 0,24 |
0,98 0,98 0,98 |
1,47
1,47 1,47 |
1,96 1,96 1,96 |
80 170 220 |
250 520 640 |
480 580 740 |
570
670 840 |
17,8 25,7 40p |
32
26 21 |
HF-Elektrodendurchmesser 11,43 cm
Abstand zwischen Elektrode und Substrattisch 3,175 cm
* Selektivität definiert als Durchschnittsätzaeschwindigkeitsverhältnis
Polysilizium : SiO_
Die Xtzgeschwindigkeitsspalten entsprechen in ihrer Stellung den Spalten
der Stromdichte, so daß beispielsweise die erste Ätzgeschwindigkeitsspalte der ersten Stromdichtespalte entspricht.
CD K> CD
• » et,
> β ο B
- 12 -
Die Tabelle I zeigt die mit "Freon 11, 12 und 13"-Plasma.
erhaltenen Ätzergebnisse. Wie angegeben, verbessern sich sowohl die Ätzgeschwindigkeit für Polysilizium
als auch die Ätzselektivität Polysilizium s Siliziumdioxid sehr erheblich für "Freon 11" (CFCl3). Zusätzlich
wurde beobachtet, daß die entsprechende Ätzgeschwindigkeitsgleichmäßigkeit
bei Plättchen von 7,62 cm Durchmesser innerhalb des Bereichs von 3 bis 5 % liegt.
Mit "Freon 11" wurden Hinterschneidungswerte in dem Bereich von 0,05 bis 0,1 ,um an einer Seite unter
Verwendung von Abtastelektronenmikroskopschliffbildern
beobachtet.
Wenn die Ätzmittel mit Heliumgas im Partialdruckbereich von 200 bis 666,7 ,ubar (150 bis 500 ,uHg)
verwendet wurden, stellte man einen nur geringen Abfall der Durchschnittsätzgeschwindigkeit von angenähert
7 bis 15 % im Vergleich mit den Werten ohne Helium fest. Wieder wurde der geringste Abfall der Ätzgeschwindigkeit
für "Freon 11" beobachtet. Bei dem Zusatz des Heliumträgergases wurde die Photoresisthaltbarkeit
verbessert, und die Anisotropie wurde im wesentlichen nicht beeinflußt. Im wesentlichen anisotrope Profile
wurden indessen mit allen drei Ätzmitteln erhalten.
Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit einer bestimmten Vorrichtung beschrieben wurde, versteht sich,
daß eine Anzahl von Reaktionsgefäßen, von denen einige handelsüblich sind, befriedigend verwendet werden können.
Verschiedene Ätzarten, die physikalisch bedingte Methoden, wie reaktives Ionenätzen, reaktives Zerstäubungsätzen
"32U626
oder reaktives Ionenstrahlätzen umfassen, sollten mit den angegebenen Plasmabedingungen unter Verwendung
der in Fig. 1 dargestellten Reaktionskammer nach Vornahme entsprechender elektrischer Änderungen
verwendbar sein. Beispielsweise kann die HF-Kopplungsschaltung 54 mit dem Substrattisch 27 verbunden werden,
während die Elektrode 25 mit Erde verbunden werden kann. Handelsübliche Systeme, die für die Anwendung dieser
Offenbarung verfügbar sind, umfassen Ausführungen des "Systems 8001" von "LFE Corporation of Waltham,
Massachusetts",das - zum Plasmaätzen von Aluminium und Aluminiumlegierungen ausgelegt ist. Das
System besteht aus einer Gruppe von fünf Reaktionskammern, deren jede der oben beschriebenen ähnlich ist.
Andere handelsübliche Systeme umfassen das NPFS/POE/PDS
501P" und "1OO2PH von LFE Corporation zum Plasmaätzen
von Polysilizium und anderen Silizium enthaltenden Schichten. Diese Systeme weisen eine innere Planarelektrodenausbildung
zum gleichzeitigen Ätzen einer Mehrzahl von Substraten auf.
Leerseite
Claims (7)
- PatentansprücheVerfahren zum selektiven Ätzen von polykristallinem S iliz iummaterial, dadurch gekennzeichnet, daß man das polykristalline Siliziummaterial in einer Reaktionskammer anordnet unddas polykristalline Siliziummaterial in der Kammer einem im wesentlichen aus Hochfrequenzentladungs-CFCl^ bestehenden Gasplasma zum Ätzen des Substrats aussetzt.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasplasma bei einem Druck zwischen 66,7 und 200 ,ubar eingesetzt wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als polykristallines Siliziummaterial eine polykristalline Siliziumschicht über Siliziumdioxid verwendet wird.
- 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasplasma Strom mit einem Durchsatz zwischen 0,22
und 2 W/cm Stromdichte zugeführt wird.65-(LFH 101)-TF:»32U62.6■» ο «. - 5. Verfahren nach einem der Ansprüche Ί bis 4, dadurch gekennzeichnet,,daß dem Ätzgas ein Heliumträgergas zugesetzt wird.
- 6. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit einer polykristallinen Siliziumschicht und einer Siliziumdioxidschicht, bei dem man die polykristalline Siliziumschicht bevorzugt ätzt,dadurch gekennzeichnet,daß man zum bevorzugten Ätzen der polykristallinen Siliziumschichtdie Halbleiteranordnung in einer Reaktionskammer anordnetdie Halbleiteranordnung in der Reaktionskammer einem im wesentlichen aus CFCl3 bestehenden Ätzgas bei einemDruck zwischen 66^7 und 200 ,ubar aussetzt.
- 7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die polykristalline Siliziumschicht mit einem Linienmuster zu ätzen ist, dadurch gekennzeichnet,daß die Breiten weniger als 4 ,um betragen und dem Gasplasma Strom mit einem Durchsatz zwischen 0,2 und2
2 W/cm Stromdichte zugeführt wird.
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