HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft ein Niedertemperatur-
Trockenätzverfahren. Sie betrifft insbesondere ein
Niedertemperatur-Trockenätzverfahren, das für ein sehr genaues
Trockenätzen geeignet ist und bei dem das Ätzen unter Regeln
der Oberflächentemperatur des zu ätzenden Gegenstands
durchgeführt wird.
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Um bei den herkömmlichen Trockenätzverfahren ein
vertikales Ätzen mit einem minimalen Seitenätzen zu erreichen,
wurde an der Seitenwand der geätzten Struktur zur Verhinde-
rung des Seitenätzens ein Schutzfilm gebildet, was
beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentanmeldung
(Kokai) 126835/85 beschrieben ist, wodurch die Ätzgenauigkeit
verbessert wurde. Weiterhin wurde als Mittel zum Adsorbieren
von Ätzgas an der Gegenstandsoberfläche zum Verstärken des
sogenannten ionengestützten Ätzens, bei dem das Ätzen
ausgeführt wird, indem neutrale Teilchen an der Waferoberfläche
adsorbiert werden und Ionen auf diese einwirken, die
Oberflächentemperatur des Gegenstands so geregelt, daß der
Dampfdruck des Reaktionsprodukts beim Ätzen etwa 1/10 des
Dampfdrucks bei Raumtemperatur wurde, und das Ätzen bei einer
unterhalb der Oberflächentemperatur des Gegenstands liegenden
Temperatur durchgeführt, um dadurch die Ätzgeschwindigkeit zu
erhöhen, wie beispielsweise in der offengelegten japanischen
Patentanmeldung (Kokai) 158627/85 beschrieben ist.
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Unter den erwähnten bekannten Techniken weist die
Technik zum vertikalen Ätzen, die ein Seitenätzen durch Bilden
eines Schutzfilms an der Seitenwand verhindern soll, infolge
der Verwendung der Abscheidung des Reaktionsprodukts oder des
durch das Ätzgas gebildeten Polymers zahlreiche Probleme auf.
Beispielsweise ist die Ätzreaktionsrate bei dieser Technik
prinzipiell verringert, wodurch für das Ätzen viel Zeit
erforderlich ist. Da der abgeschiedene Film weiterhin nicht nur
an der Seitenfläche des Wafers sondern auch überall sonst an
der Innenwand der Vorrichtung gebildet ist, bildet dieser
Film beim Ablösen eine Verschmutzungsquelle und verschmutzt
den Wafer. Weiterhin muß der an der Seitenwand der Struktur
abgeschiedene Film nach der Bildung der Struktur entfernt
werden, eine solche Filmentfernung ist jedoch tatsächlich
recht mühsam. Diese Technik könnte daher bei der Herstellung
von Halbleiter-Bauelementen wegen eines zu geringen
Durchsatzes und einer zu hohen Fehlerhaftigkeit infolge der an der
Waferoberfläche abgeschiedenen Fremdstoffe praktisch kaum
verwendet werden.
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Der Gedanke einer Kühlung des Wafers, um die Wirkung der
lonenunterstützung zu erhöhen, wird ausschießlich ins Auge
gefaßt, damit das Reaktionsgas an der Gegenstandsoberfläche
adsorbiert wird, und es wird nicht die mögliche Änderung des
Dampfdrucks des Reaktionsprodukts und des Ätzgases
entsprechend der Temperatur berücksichtigt, so daß auch diese
Technik Probleme wie eine verringerte Ätzgeschwindigkeit infolge
einer niedrigen Temperatur aufweist.
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In JP-A-59 124 135 ist das reaktive lonenätzen von
Mooder MoSi&sub2; unter Verwendung von Cl&sub2;-Gas offenbart. Das
Substrat wird auf einer bestimmten Temperatur gehalten, um
die Menge des an den Seitenwänden des Substrats
abgeschiedenen Reaktionsprodukts zu steuern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, die
erwähnten Probleme der bekannten Trockenätztechniken zu lösen und
ein Trockenätzverfahren vorzusehen, durch das eine feine
Struktur mit einem im wesentlichen vertikalen Seitenprofil
mit sehr hoher Genauigkeit gebildet werden kann, ohne daß die
Ätzgeschwindigkeit verringert wird und auch ohne daß eine
Ablagerung des Reaktionsprodukts oder eines Polymers eines
Ätzgases, die oder das eine Verunreinigungsquelle werden kann,
gebildet wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Trockenätzverfahren gemäß
Anspruch 1 gelöst. Hierdurch wird es ermöglicht, ein Ätzen
mit einem im wesentlichen vertikalen Seitenprofil bei einer
hohen Genauigkeit und einer minimalen oder fast nicht
vorhandenen Abweichung der Abmessungen zu erreichen.
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Weiterhin ist es unter Verwendung eines Gases, das keine
solchen Elemente wie Kohlenstoff, Bor und Silicium enthält,
die dazu neigen, sich beim Ätzen abzulagern, beispielsweise
unter Verwendung von F2, SF6 oder NF&sub3; entweder einzeln oder in
Kombination als Ätzgas, möglich, die Ablagerung des durch ein
solches Gas oder ein Reaktionsprodukt des. Gases und des zu
ätzenden Gegenstands gebildeten Polymers zu verhindern,
wodurch die Erzeugung von fehlerhaften Teilen durch
Verunreinigung wirksam verhindert wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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In den FIGUREN 1 und 2 sind eine Vorrichtung für ein
reaktives Ionenätzen bzw. eine Vorrichtung für ein Mikrowellen-
Plasmaätzen dargestellt, die bei der Verwirklichung dieser
Erfindung verwendet werden.
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In FIG. 3 ist ein weiteres Beispiel einer bei der
Verwirklichung dieser Erfindung verwendeten Ätzvorrichtung
schematisch dargestellt.
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In FIG. 4 ist eine Querschnittsform einer gemäß einem
herkömmlichen Ätzverfahren gebildeten Struktur dargestellt.
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In den FIGUREN 5 und 6 sind die Querschnittsformen der
gemäß dem Verfahren dieser Erfindung gebildeten Strukturen
dargestellt.
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FIG. 7 ist eine graphische Darstellung von Kurven zur
Darstellung der Beziehung zwischen dem Dampfdruck und der
Temperatur bei der Verwendung von WF&sub6; und SF&sub6;.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ionen und neutrale Radikale treten in Plasmen auf,
die für ein Ätzen verwendet werden. Ionen können so gesteuert
werden, daß sie senkrecht zur Gegenstandsoberfläche
eintreten,
es ist jedoch schwierig, den neutralen Radikalen
Richtungseigenschaften zu geben, da sie nicht nur isotrop fliegen
sondern auch keine elektrische Ladung haben. Neutrale
Radikale haben eine stärkere Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
der Ätzreaktion als Ionen, da es in einem gewöhnlichen Plasma
eine größere Menge an neutralen Radikalen als an Ionen gibt.
Wegen des Vorhandenseins einer größeren Menge von
Reaktionsteilchen, deren Einfallsrichtung auf die
Gegenstandsoberfläche isotrop ist, wie es bei neutralen Radikalen der Fall ist,
geschieht es daher beim gewöhnlichen Plasmaätzen häufig, daß
auch der Abschnitt unter der Maske geätzt wird, was zu einem
sogenannten Unterätzen führt. Weiterhin könnte im Plasma
enthaltenes Fluor oder Sauerstoff, der häufig in Spuren im
Restgas vorhanden ist, mit dem für die Maske verwendeten Resist
reagieren, wodurch eine Verringerung der Maskengröße auftritt
und es unmöglich wird, ein der Originalgröße des Resistfilms
getreues Ätzen zur Bildung einer gewünschten Struktur
vorzunehmen.
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Wenn es hierbei möglich ist, die Reaktionsrate mit
neutralen Radikalen zu verringern oder die Rate zu
verringern, mit der Reaktionsprodukte, die sich aus dem Ätzen nit
neutralen Radikalen ergeben, beseitigt werden, wird es durch
Verhindern des isotropen Ätzens möglich werden, ein Muster
mit einem im wesentlichen vertikalen Seitenprofil zu bilden,
ohne daß ein Schutzfilm auf der Seitenwand des Musters
gebildet werden muß. Wenn die Temperatur der Gegenstandsoberfläche
unter angemessener Berücksichtigung des Dampfdrucks des
Reaktionsprodukts verringert wird, um die Rate zu verringern, mit
der das Reaktionsprodukt mit neutralen Radikalen beseitigt
wird, können sowohl die Reaktionsrate mit neutralen Radikalen
als auch die Rate, mit der durch die Reaktion mit neutralen
Radikalen erzeugte Reaktionsprodukte beseitigt werden,
verringert werden. Eine verringerte Temperatur hemmt die
Reaktion der Resistmaske und kann auch die Verminderung der
Abmessungen der Maske minimieren. Insbesondere wird die
Ätzgeschwindigkeit des Resistfilms durch eine verringerte
Temperatur
stark vermindert, da diese Ätzgeschwindigkeit sehr stark
von der Temperatur abhängt.
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Wenngleich es wünschenswert ist, die Ätzreaktion
durch neutrale Radikale zu unterdrücken, wie oben beschrieben
wurde, muß zur Strukturierung geätzt werden. Beim
gewöhnlichen Plasmaätzen wird ein Energiefluß, beispielsweise in
Gestalt von Ionen, Licht oder Laserstrahlung, verwendet, der
senkrecht auf die Gegenstandsoberfläche fällt, und der
Oberflächenbereich, auf den dieser Energiefluß auftrifft, wird
durch die einfallende Energie lokal erhitzt. Selbst dann,
wenn der Gegenstand gekühlt wird, wird die sehr dünne
Oberflächenschicht auf eine hohe Temperatur erhitzt, so daß die
Temperatur des Reaktionsgebiets im wesentlichen derjenigen
gleicht, wenn nicht gekühlt wird. Wenn das Ätzgas in diesem
Fall auf das lokal erhitzte Gebiet einwirkt oder Ionen auf
das Gebiet fallen, in dem das Ätzgas adsorbiert wurde, tritt
eine ionengestützte Reaktion auf, die die Reaktionsrate und
die Rate, mit der das Reaktionsprodukt beseitigt wird, im
wesentlichen auf demselben Wert hält wie beim herkömmlichen
Gebrauch. Auf diese Weise wird beim
Niedertemperatur-Ätzverfahren dieser Erfindung eine ionengestützte Reaktion oder eine
licht- oder lasergestützte Reaktion wirksam eingesetzt. Wenn
ein Energiefluß in Gestalt von Ionen fast vertikal auf die
Gegenstandsoberfläche einwirkt, wird, wie oben beschrieben
wurde, nur der nicht mit der Maske bedeckte Bereich in
vertikaler Richtung geätzt, und der Bereich unter der Maske wird
nicht geätzt, so daß das Ätzen getreu der Maskengröße
ausgeführt werden kann.
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Bei der Temperatur, bei der der Dampfdruck der
Ätzgasmoleküle beim Ätzen kleiner wird als der Druck des.
Ätzgases im Reaktor, werden die Ätzgasmoleküle in einem festen
oder flüssigen Zustand an der Gegenstandsoberfläche
adsorbiert, wodurch der Fortgang des Ätzens verhindert wird. Es
ist daher erforderlich, die Gegenstandstemperatur oberhalb
dieses Werts zu halten, um zu verhindern daß Ätzgasmoleküle
in einem festen oder flüssigen Zustand an der
Gegenstandsoberfläche
adsorbiert werden, wodurch der Fortgang des Ätzens
verzögert wird.
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Wenn der Dampfdruck des Reaktionsprodukts der neutralen
Radikale und des zu ätzenden Gegenstands geringer ist als der
Druck des Ätzgases, wird das an der Seitenwand der Struktur
gebildete Reaktionsprodukt weiterhin nicht beseitigt, und es
findet daher im wesentlichen kein Seitenätzen statt, so daß
eine Struktur mit einem im wesentlichen vertikalen
Seitenprofil gebildet werden kann. Wenn das Ätzen daher so
durchgeführt wird, daß die Gegenstandstemperatur unterhalb des Werts
bleibt, bei dem der Dampfdruck des Reaktionsprodukts genauso
groß wird wie der Druck des Ätzgases, wird durch das an der
Seitenwand der Struktur gebildete Reaktionsprodukt
verhindert, daß ein Seitenätzen stattfindet, wodurch die Bildung
einer Struktur ermöglicht wird, deren Abmessungen kaum von
denen der Maske abweichen.
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Tatsächlich braucht die Abweichung der Abmessungen nicht
unbedingt null zu sein, sondern es ist eine leichte
Abweichung zulässig. Falls der Dampfdruck des Reaktionsprodukts
bei der vorliegenden Erfindung geringer ist als der Druck des
Ätzgases, wird die Abweichung der Abmessungen fast null. Wenn
das Ätzen jedoch bei einer Temperatur durchgeführt wird, bei
der der Dampfdruck des Reaktionsprodukts etwas höher ist als
der Druck des Ätzgases, kann die Abweichung der Abmessungen
in einem ausreichend kleinen Bereich gehalten werden, um ein
in der Praxis völlig ausreichendes Ergebnis zu erhalten. Wenn
der Dampfdruck des Reaktionsprodukts beispielsweise das 10&sup4;-,
10³- und das 10²-fache des Drucks des Ätzgases war, wurde bei
einem Test bestimmt, daß die Abweichung der Abmessungen (das
Zweifache des Seitenätzens) von der Maskengröße 0,2 µm, 0,15
µm bzw. 0,1 µm betrug. Diese Zahlen sind erheblich kleiner
als die in der Praxis des Trockenätzens mit den herkömmlichen
Verfahren erreichten, und sie garantieren die praktische
Anwendbarkeit des Grundgedankens dieser Erfindung.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird die
Gegenstandstemperatur auf diese Weise so gewählt daß der Dampfdruck des
Reaktionsprodukts des Gegenstandsmaterials und der neutralen
Radikale das 10³-fache des Drucks des Ätzgases nicht
übersteigt. Diese Temperatur ist natürlich abhängig vom Typ des
verwendeten Ätzgases und des zu ätzendes Gegenstands
veränderlich. Falls beispielsweise ein Siliciumgegenstand unter
Verwendung von Fluoridgas als Ätzgas geätzt wird, ist das
Produkt der Reaktion mit neutralen Radikalen SiF&sub4;, und wenn
angenommen wird, daß der Druck des Ätzgases 100 mTorr beträgt
(1 mTorr 0,13 Pa), beträgt die obere Schwellentemperatur,
bei der die Abweichung der Abmessungen von der Maskengröße
0,1 µm bzw. 0,2 µm beträgt, -130ºC bzw. -95ºC, und wenn die
Gegenstandstemperatur daher auf -130ºC bzw. -95ºC festgelegt
ist, beträgt die Abweichung der Abmessungen höchstens 0,1 µm
bzw. höchstens 0,2 µm Es erübrigt sich, zu bemerken, daß
diese Temperaturen -130ºC und -95ºC die Temperaturen sind,
bei denen der Dampfdruck des Reaktionsprodukts das 10&sup4;-fache
bzw. das 10²-fache des Drucks des Ätzgases wird.
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Die untere Grenze der Gegenstandstemperatur ist bei der
vorliegenden Erfindung die niedrigste Temperatur, bei der
keine Adsorption von Ätzgasmolekülen an dem Gegenstand
auftritt. Es ist ersichtlich, daß sich diese Temperatur abhängig
vom Typ des verwendeten Ätzgases ändert. Falls beispielsweise
ein Siliciumgegenstand unter Verwendung von SF&sub6; als Ätzgas
geätzt wird, beträgt die untere Grenztemperatur -145ºC, und
wenn dieses Ätzen unter Verwendung von CF&sub4; als Ätzgas
durchgeführt wird, beträgt die untere Grenztemperatur -190ºC.
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Bein Trockenätzen ist das zu ätzende Material im
allgemeinen einem Plasma ausgesetzt. Es kann andernfalls an einem
Ort, der unter einer speziellen Gasatmosphäre liegt,
Ionenstrahlen oder einem Energiefluß in der Art von Licht oder
Laserstrahlung ausgesetzt sein. In beiden Fällen reagieren
Ionen oder hochreaktive neutrale Teilchen (neutrale Radikale)
in den zerlegten Gaskomponenten mit dem Material der
Gegenstandsoberfläche, wodurch ein Reaktionsprodukt mit einem
hohen Dampfdruck gebildet wird, das von der
Gegenstandsoberfläche abgelöst wird, und das Fortschreiten des Ätzens
ermöglicht
wird. Die Gaskomponenten mit einer niedrigen
Reaktionsfähigkeit werden mit einer bestimmten
Adsorptionswahrscheinlichkeit an der Gegenstandsoberfläche adsorbiert, die meisten
von ihnen kehren jedoch in die Gasphase zurück und werden
abgeführt. Ein Gas, das Komponenten mit einer hohen
Abscheidungsneigung aufweist, beispielsweise eine Gasverbindung, die
Kohlenstoff C, Bor B, Silicium Si oder andere Metallelemente
aufweist, neigt jedoch dazu, an der Gegenstandsoberfläche
adsorbiert zu bleiben, und ist schwer entfernbar. Weiterhin
werden nicht einmal die Gaskomponenten mit einer hohen
Reaktionsfähigkeit mit dem Material der Gegenstandsoberfläche
beseitigt, sondern verbleiben an der Gegenstandsoberfläche,
wenn der Dampfdruck des Reaktionsprodukts äußerst gering ist.
Da der Dampfdruck von der Temperatur der
Gegenstandsoberfläche abhängt, werden die Probentemperatur beim Ätzen sowie die
Gasteilchen zu den wichtigen Faktoren.
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Im Gegensatz zum herkömmlichen Verfahren, bei dem das
vertikale Ätzen unter Ausnutzung des
Seitenwand-Abscheidungseffekts (Seitenwand-Schutzfilm) unter Verwendung eines Gases
mit einer hohen Abscheidungsneigung (wie CCl&sub4;, C&sub2;F&sub6;, C&sub3;F&sub8;,
C&sub4;F&sub8;, usw.) durchgeführt wurde, ist es gemäß dieser Erfindung
selbst dann, wenn ein Gas mit einer geringen
Abscheidungsneigung verwendet wird (wie beispielsweise F&sub2;, SF&sub6;, NF&sub3;, usw.),
das normalerweise ein Unterätzen hervorruft, möglich, ein den
Abmessungen der Maske getreues vertikales Ätzen zu
verwirklichen. Das Verwenden einer niedrigen Temperatur ist hilfreich,
um die Ätzrate eines Materials mit einer hohen
Temperaturabhängigkeit der Ätzrate, wie Photoresist, erheblich zu
verringern, was zu einer bedeutenden Verringerung eines
Filmverlusts der Maske führt, wodurch die Maskenabmessungen
gegenüber denen vor dem Ätzen unverändert gehalten werden.
Hierdurch ist eine Seitenwandabscheidung unnötig geworden, die im
Stand der Technik ein "notwendiges Übel" war, und es ist
daher unnötig geworden, die Mühe auf sich zu nehmen, eine
solche Abscheidung zu entfernen. Wo eine solche
Seitenwandabscheidung im Stand der Technik erforderlich war, konnte eine
Verminderung der Abmessungen der Maske beim Entfernen des
abgeschiedenen Films auftreten, da eine solche Abscheidung
jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung unnötig geworden ist,
braucht nicht befürchtet zu werden, daß die Abmessungen der
Maske beim Ätzvorgang vermindert werden. Da weiterhin kein
Gas mit einer starken Abscheidungsneigung verwendet wird,
verringert sich der Grad des Verunreinigens der Innenwände
der Vorrichtung erheblich. Hierdurch wird eine Staubbildung
in der Vorrichtung verringert, was zu einer deutlichen
Verringerung des Auftretens von Schwierigkeiten oder Ausfällen,
wie eines Brechens oder Kurzschließens der Drahtverbindungen
der Elemente, führt.
Beispiel 1
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Sowohl bei der Vorrichtung für reaktives Ionenätzen
(RIE) als auch bei der Ätzvorrichtung, bei der ein
Mikrowellenplasma verwendet wird, ist der Probentisch im
Reaktionsbehälter eines der wichtigen Bauteile. In FIG. 1 ist ein in
einem Reaktionsbehälter 1 einer RIE-Vorrichtung vorgesehener
Probentisch für eine Niedertemperaturregelung dargestellt,
bei dem ein Kühlmedium, wie flüssiger Stickstoff, verwendet
werden kann, und in FIG. 2 ist ein in einem Reaktionsbehälter
1 einer Ätzvorrichtung, bei der ein Mikrowellenplasma
verwendet wird, vorgesehener Probentisch für eine
Niedertemperaturregelung dargestellt. Bei bestimmten Typen von Ätzvorrichtun
gen ist der Probentisch auf der Oberseite des
Reaktionsbehälters oder seitlich davon angebracht, bei der Vorrichtung aus
den FIGUREN 1 und 2 ist der Probentisch jedoch am Boden des
Reaktionsbehälters angeordnet.
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Das zu ätzende Material (nachfolgend als Wafer
bezeichnet) 2 ist durch einen Waferhalter 5 an einer Kühlstufe 3
befestigt, wobei sich dazwischen eine Wärmekontaktplatte 4
befindet. In der Kühlstufe 3 befindet sich irgendein geeigneter
Typ eines Kühlmittels, und falls es erforderlich ist, kann
eine Heizeinrichtung 7 eingebaut sein. Die Kühlstufe ist
gegenüber dem Reaktionsbehälter 9 der Vorrichtung durch einen
elektrischen Isolator 8 isoliert, da häufig eine hohe
Spannung
oder eine Spannung mit einer hohen Frequenz an die
Kühlstufe angelegt wird. Die Temperatur des Wafers 2 ändert sich
entsprechend dem Gleichgewicht zwischen der Einfallsrate des
Plasmas oder des durch Ionen, Laserstrahlung usw. vermittel
ten Energieflusses und der über die Wärrnekontaktplatte 4
abgegebenen Wärmemenge. In der vorliegenden Ausführungsform der
Erfindung wurde die Temperatur an der Waferoberfläche durch
ein Thermoelement 10 gemessen. Es gibt Ionen, die direkt in
das Thermoelement 10 eintreten, weshalb die gemessene
Temperatur möglicherweise nicht absolut richtig ist, mit diesem
Mittel ist jedoch eine Messung mit der gewöhnlich
erforderlichen Genauigkeit möglich, und es kann die relative
Temperaturänderung abgelesen werden.
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Bei der wirklichen Verarbeitungsvorrichtung wird das
Thermoelement 10 leicht zu einer Quelle einer Verschmutzung
durch Störatome, so daß es zweckmäßig ist, ein
berührungsfreies Thermometer zu verwenden. In dieser Ausführungsform
der Erfindung wurde die Temperatur des Wafers 2 indirekt
gemessen, wobei eine andere Stelle für die Temperaturmessung
ausgewählt wurde. Falls sich das Ausmaß des durch die
Wärmekontaktplatte 4 hergestellten Wärmekontakts in diesem Fall
abhängig vom Wafer ändert, wird die Schwankung der Temperatur
wichtig. Was das Material für die Wärmekontaktplatte 4
betrifft, ist es ratsam, eine Schichtanordnung gut
wärmeleitfähiger Metallfolien oder einen Typ eines Fetts zu verwenden,
die oder das niedrigen Temperaturen standhalten kann. Die
Wiederholbarkeit des Wärmekontakts verschlechtert sich jedoch
unweigerlich, wenn die Waferbehandlung wiederholt wird. In
FIG. 3 ist ein Probentisch dargestellt, der dadurch
gekennzeichnet ist, daß statt der Wärmekontaktplatte ein
Kühlgasrohr 11 in einem zwischen dem Wafer 2 und dem Probentisch 3
erzeugten kleinen Raum bereitgestellt ist. Es ist eine
wesentliche Bedingung, daß das Kühlgas selbst dann nicht
verflüssigt wird, wenn es auf die Temperatur des Kühlmittels
gekühlt wird. Beispielsweise kann aus He-Gas oder den Ätzgasen
eines ausgewählt werden, das einen höheren Dampfdruck hat. Im
allgemeinen ist diese Wirkung um so stärker ausgeprägt, je
höher der Druck des Kühlgases ist, ein übermäßig hoher Druck
kann jedoch bewirken, daß der Wafer 2 auch dann, wenn er
durch den Waferhalter 5 gehalten wird, aus seiner Lage auf
dem Probentisch 3 gedrückt wird, so daß es ratsam ist, den
Gasdruck aus dem Bereich oberhalb von etwa 1 Torr, jedoch
unterhalb eines Drucks, bei dem das Gewicht des Waferhalters 5
außergewöhnlich hoch wird, auszuwählen. Falls flüssiger
Stickstoff als Kühlmittel 6 verwendet wird, wird der Druck
des Kühlgases (He-Gas oder Ätzgas, was davon abhängt, welches
einen höheren Dampfdruck hat) verringert, wodurch die
Wärmekontaktwirkung zum Ermöglichen einer Änderung zur Seite der
höheren Temperatur hin vermindert wird, um die
Wafertemperatur höher einzustellen als die des flüssigen Stickstoffs. Bei
einem Kühlen durch Gas kann die Wirksamkeit des Wärmekontakts
auf diese Weise geregelt werden, und die Wiederholbarkeit ist
auch ausgezeichnet.
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Die in dieser Ausführungsform der Erfindung erhaltene
Ätzstruktur wird nachfolgend beschrieben. Wenngleich hier die
ausschließlich durch Plasmaätzen erhaltene Struktur
beschrieben wird, kann die gleiche Wirkung durch Ionenstrahlätzen
oder unter Verwendung von Licht oder Laserstrahlung erzielt
werden. In FIG. 4 ist eine durch herkömmliches reaktives
Ionenätzen (RIE) unter Verwendung einer hochfrequenten Spannung
bei 13,56 MHz oder eines Mikrowellen-Plasmaätzens bei 2,45
GHZ erhaltene Querschnittsform der Ätzstruktur dargestellt.
In beiden Fällen war der Probentisch wassergekühlt (auf etwa
15ºC), und der Wafer war einfach auf dem Probentisch
angeordnet. Die Wafertemperatur blieb während des ganzen Ätzvorgangs
im Bereich von 50 bis 130ºC. SF&sub6; und CF&sub4; wurden als Ätzgas
verwendet. In FIG. 4 bezeichnet eine unterbrochene Linie 12
die Form der Resistmaske vor dem Ätzen. Nach dem Ätzen sind
die Dicke und die Größe der Ätzmaske verringert, wie durch
eine.durchgezogene Linie 13 dargestellt ist.
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Poly-Si und W wurden als zu ätzender Gegenstand
verwendet, und es wurde in beiden Fällen die gleiche
Strukturkonfiguration
14 erhalten. Die mit 14 bezeichneten Struktur war
mehr als 0,3 µm kleiner als der Resist 13, und der Resist
war auch etwa 0,2 µm kleiner als vor dem Ätzen. Das Ätzen
wurde unter den Bedingungen eines Drucks des SF&sub6;-Gases von
100 mTorr, eines Überätzens von etwa 20% und einer Ätzrate
von 300 nm/min ausgeführt. Es wurde bestätigt, daß die
erwähnten Abweichungen der Abmessungen weiter vergrößert
werden, wenn der Gasdruck weiter erhöht wird oder die
Überätzzeit verlängert wird.
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Nun werden die durch die vorliegende Erfindung erzielten
Ergebnisse beschrieben. Das Ätzen von W wurde unter
Verwendung von SF&sub6;-Gas unter Ändern des Gasdrucks und der
Temperatur bei -90 bis -150 ºC, wenn der SF&sub6;-Gasdruck 10 mTorr
betrug, bei -80 bis -140ºC, wenn der Gasdruck 100 mTorr betrug,
und bei -60 bis -130ºC, wenn der Gasdruck 1 mTorr betrug,
durchgeführt. Wie in FIG. 5 in einer Schnittansicht
dargestellt ist, bleibt die Form des Resistfilms 13' nach dem
Ätzen gegenüber der Form 12 vor dem Ätzen hierbei fast
ungeändert, und es konnte weiterhin eine Struktur des W-Films 14'
erzielt werden, die keine Abweichung der Abmessungen aufwies.
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Bei Betrachtung der Ergebnisse der vorliegenden
Ausführungsform der Erfindung hinsichtlich der in FIG. 7
dargestellten Beziehung zwischen dem Dampfdruck des Ätzgases SF&sub6;
und des Reaktionsproduktgases WF&sub6; und der Temperatur, wurde
herausgefunden, daß das in FIG. 5 gezeigte vertikale Ätzen im
durch zwei Kurven festgelegten Temperaturbereich 15 erreicht
werden konnte. Um den Bereich zu untersuchen, in dem der
Ätzgasdruck erhöht wurde, wurde hier versucht, den
Elektrodenabstand bei der in FIG. 1 dargestellten RIE-Vorrichtung zu ver
ringern. Es wurde herausgefunden, daß dies eine Entladung bis
zu etwa 10 Torr ermöglichte. Es gibt tatsächlich wenige
Fälle, in denen ein Trockenätzen bei einem Gasdruck von mehr als
Torr durchgeführt wird, so daß beim Ätzen von W mit SF&sub6;-
Gas die obere Grenze des Temperaturbereichs 15 -50ºC beträgt,
wenn der Gasdruck 10 Torr beträgt. Die untere Grenztemperatur
wird entsprechend dem zum Einstellen des Entladungsgasdrucks
erforderlichen Dampfdruck des SF&sub6;-Gases festgelegt. Es ist
für die Regelung des SF&sub6;-Gasdrucks tatsächlich wünschenswert,
eine Temperatur auszuwählen, die leicht zur Seite der höheren
Temperatur der in FIG. 7 dargestellten Kurve von SF&sub6; hin
verschoben ist. Falls es nicht wirklich erforderlich ist, ein
vertikales Ätzen zu erreichen, das die Abmessungen der Maske
so getreu wiedergibt, wie in FIG. 5 dargestellt ist, sondern
falls eine Abweichung der Abmessungen (in diesem Fall 0,1 µm
oder weniger) durch ein leichtes Unterätzen zulässig ist, wie
in FIG. 6 dargestellt ist, kann ein Temperaturbereich 16
verwendet werden, bei dem die obere Grenze zur Seite der höheren
Temperatur der WF&sub6;-Kurve hin verschoben ist. Falls die
Temperatur auf diese Weise auf -50ºC oder darunter festgelegt ist,
wenn der SF&sub6;-Gasdruck beispielsweise 100 mTorr beträgt, kann
die Abweichung der Abmessungen von W so festgelegt werden,
daß sie weniger als 0,1 µm beträgt. In diesem Fall beträgt
der Dampfdruck des Reaktionsprodukts WF&sub6; bei -50ºC 10 Torr,
was dem 100fachen des Ätzgasdrucks (100 mTorr) entspricht.
Falls der Prozeß in diesem Fall also so angelegt ist, daß
eine Abweichung der Abmessungen von bis zu 0,1 µm zulässig ist,
kann eine Temperatur von bis zu einem Wert verwendet werden,
bei dem der Dampfdruck des Reaktionsprodukts etwa das
100fache des Ätzgasdrucks wird. Es wurde weiterhin
herausgefunden, daß viel Zeit erforderlich war, um den SF&sub6;-Gasdruck
einzustellen, und daß auch die HF-Leistung erhöht werden muß,
um die Ätzgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, falls die
untere Grenztemperatur auf -145ºC festgelegt war, wenn der SF&sub6;-
Gasdruck 100 mTorr betrug. Daher war eine etwas höhere
Temperatur von etwa -140ºC besser als untere Grenztemperatur
geeignet. Falls eine Abweichung der Abmessungen von bis zu etwa
0,1 µm zulässig ist, liegt der Temperaturbereich für das
Ätzen daher vorzugsweise zwischen -50ºC und -140ºC (wenn der
SF&sub6;-Gasdruck 100 mTorr beträgt), und wenn die Einstellung des
Gasdrucks geändert wird, wird der Temperaturbereich 16 aus
FIG. 7 zum verfügbaren Bereich, um ein gutes Ätzen zu
erreichen. Es wurde herausgefunden, daß die verwendbare
obere-Grenztemperatur
-5ºC betrug und daß der Dampfdruck des
Reaktionsprodukts in etwa dem 3 x 10³-fachen des Ätzgasdrucks
entspricht, falls eine Abweichung der Abmessungen von bis zu
0,2 µm zulässig war. In diesem Fall reichte der verfügbare
Temperaturbereich von -5ºC bis -140ºC.
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Wenn die Temperatur von der Seite der höheren Temperatur
des erwähnten Temperaturbereichs weiter verringert wurde,
sank die Ätzgeschwindigkeit entsprechend ab, und es wurde
unmöglich, das Ätzen durchzuführen, wenn die Temperatur auf -
150ºC (bei einem Gasdruck von 100 mTorr) verringert wurde. Es
ist aus den in den FIGUREN 4, 5 und 6 dargestellten
Querschnittsformen ersichtlich, daß die Verminderung der
Abmessungen der Photoresistmaske erheblich verringert ist, wenn
die Temperatur unterhalb von -50ºC liegt.
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Weiterhin konnte ein vertikales Ätzen mit einer
Abweichung der Abmessungen von weniger als 0,1 µm bei einem Ätzen
von W mit CF&sub4; (100 mTorr) im Temperaturbereich von -50ºC bis
-160ºC, bei einem Ätzen von Poly-Si mit 100 mTorr SF&sub6; im
Temperaturbereich von -130ºC bis -145ºC und bei einem Ätzen von
Poly-Si mit 100 mTorr CF&sub4; im Temperaturbereich von -130ºC bis
-190ºC erreicht werden. Wenn eine Abweichung der Abmessungen
von bis zu 0,2 µm zulässig war, stellte sich beim Ätzen von W
mit CF&sub4; heraus, daß der verfügbare Temperaturbereich von -5ºC
bis -160ºC reichte, daß er beim Ätzen von Si mit SF&sub6; von -
95ºC bis -145ºC reichte und daß er beim Ätzen von Si mit SF&sub4;
von -95ºC bis -190ºC reichte. Es ist bei einem Ätzen mit
anderen Gasdrücken als 100 mTorr möglich, eine gute Ätzstruktur
zu erhalten, indem ein Temperaturbereich eingestellt wird,
der gegenüber den Kennlinienkurven des Dampfdrucks und der
Temperatur, die in FIG. 7 dargestellt sind, verschoben ist.
Wenn beim Ätzen von Si mit SF&sub6; eine Abweichung der
Abmessungen von bis zu 0,1 µm zulässig war, konnte die
gewünschte Ätzarbeit im erwähnten Temperaturbereich von -130ºC
bis -145 ºC ausgeführt werden. Dies unterstreicht die
Verwendbarkeit einer Temperatur bis zu einem Niveau, bei dem der
Dampfdruck des Reaktionsprodukts SiF&sub4; einen Wert annimmt, der
etwa dem 100fachen des Ätzgasdrucks entspricht. Wenn eine
Abweichung der Abmessungen von bis zu 0,2 µm zulässig war,
konnte ein Temperaturbereich verwendet werden, in dem der
Dampfdruck des Reaktionsprodukts höchstens das 10&sup4;-fache des
Arbeits-Ätzgasdrucks betrug.
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Die C enthaltenden Verbindungsgase, wie CCl&sub4;, C&sub2;Cl&sub3;F&sub3;,
usw., haben eine starke Abscheidungsneigung, so daß bei
Verwendung eines solchen Verbindungsgases als Ätzgas bei einer
gewöhnlichen Ätztemperatur (30 bis 130ºC), die höher liegt
als der erwähnte Temperaturbereich, durch die Wirkung des an
der Seite abgeschiedenen Films ein vertikales Ätzen von Poly-
Si oder Si erreicht werden kann. Falls jedoch ausschließlich
Cl&sub2;-Gas verwendet wird, tritt ein Unterätzen auf, und die
Abweichung der Abmessungen ist auch groß, und es wird daher
eine ähnliche Tendenz wie bei der Verwendung eines F
enthaltenden Gases beobachtet. Beim Ätzen von W mit Cl&sub2;-Gas war es mit
den herkömmlichen Ätzverfahren nicht möglich, ein Ätzen in
vertikaler Richtung vorzunehmen, da der Dampfdruck des
Reaktionsprodukts WCl&sub6; bei etwa +100ºC zu gering war. Beim Ätzen
von Poly-Si oder Si mit Cl&sub2;-Gas wurde bei einer Temperatur
von -120ºC bis -60ºC eine der in FIG. 5 ähnelnde gute
Ätzstruktur erzielt. In diesem Fall betrug der Ätzgasdruck
ebenfalls etwa 100 mTorr.
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Die oben erwähnten Ergebnisse weisen darauf hin, daß die
Reaktionsrate der Gegenstandsoberfläche und der neutralen
Radikale oder die Rate, mit der die Reaktionsprodukte beseitigt
werden, von der Temperatur an der Gegenstandsoberfläche
abhängt. Im erwähnten Temperaturbereich wurde fast keine
Differenz der Ätzgeschwindigkeit in vertikaler Richtung, in der
die Ionen einfallen, festgestellt. Es wurde bestätigt, daß
das Ätzen fast unabhängig von der Gegenstandstemperatur bei
einer konstanten Geschwindigkeit fortschreitet und daß die
Temperatur in der Nähe der Oberflächenschicht, auf die die
Ionen treffen, sehr viel höher ist als die Temperatur der
gekühlten Probe. Wenn beispielsweise angenommen wird, daß Ionen
mit einer Energie von 1 eV plötzlich an der Oberfläche
abgebremst
werden, wird die Energie von etwa 10.000 Grad in der
Nachbarschaft der Oberfläche verteilt, was zu einer Erhöhung
der Oberflächentemperatur führt. Die Erscheinung, daß nicht
nur die Ionen sondern auch die an der Oberfläche adsorbierten
Gasmoleküle wie beim ionengestützten Ätzen wirksam an der
Ätzreaktion teilnehmen, wird durch die erwähnte Verteilung
der Ionenenergie erklärt.
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Das Ätzen konnte im erwähnten Temperaturbereich
zufriedenstellend ausgeführt werden, es wird jedoch angenommen, daß
sich der Dampfdruck des eingeführten Ätzgases übermäßig
verringert, wenn die Probentemperatur weiter verringert wird,
wodurch eine Abscheidung an der Gegenstandsoberfläche bewirkt
wird, und selbst dann, wenn Ionen einwirken, wird die
Ablagerung nur in geringem Maße entfernt, und das Ätzen des
Gegenstands selbst wird nicht fortgesetzt. Es wird berücksichtigt,
daß die Ätzgas-Abscheidungsrate und die Anzahl der
einwirkenden Ionen oder die relative Energiemenge darüber entscheiden,
ob das Ätzen fortgesetzt werden kann oder nicht. In jedem
Fall ist eine Situation praktisch unerwünscht, in der die
Temperatur sehr weit verringert wird, wobei sich der
Dampfdruck des Ätzgases übermäßig verringert. Daher wird die
Probentemperatur in einen Bereich gelegt, in dem der Dampfdruck
des Ätzgases bei einem angemessen hohen Wert gehalten wird,
während der Dampfdruck des Reaktionsprodukts verringert ist.
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Nun wird das Ätzen von Al beschrieben. Der Dampfdruck
des Al-Reaktionsprodukts AlCl&sub3; ist geringer als der von WF&sub6;
usw., und er liegt selbst bei 150ºC unterhalb von 100 Torr,
so daß ein vertikales Ätzen ausführbar sein sollte, ohne daß
ein besonderes Kühlen erforderlich wäre. Wenn jedoch ein Cl&sub2;-
Plasmaätzen auf einem Wafer ausgeführt wird, der auf einem
gewöhnlichen wassergekühlten Probentisch angeordnet ist,
findet ein starkes Unterätzen statt, es wurde jedoch bestätigt,
daß dieses Unterätzen verringert werden konnte, wenn ein
ähnliches Ätzen bei Einstellen der Gegenstandstemperatur auf
etwa -50ºC durchgeführt wurde.
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Da das Trockenätzen von Al eine exotherme Reaktion ist,
ist es im wesentlichen wünschenswert, die
Oberflächentemperatur des Bodens und der Seiten der durch Ätzen gebildeten
Rinnen und Löcher zu regeln, es reicht jedoch in den üblichen
Fällen praktisch aus, das Ätzen bei auf einen vorgegebenen
Wert festgelegter Gegenstandstemperatur wie beim Ätzen von
Silicium oder Wolfram vorzunehmen. Das Ätzen kann also
durchgeführt werden, wenn die Temperatur auf der Rinnenseite
ausreichend niedrig ist, um die Reaktionsrate oder die
Beseitigungsrate zu verringern, und wenn die Temperatur am
Rillenboden weiterhin bei der Energie der einwirkenden Ionen
ausreichend hoch ist. Da der Bodenbereich und der Seitenbereich
in einem geringen Abstand zueinander angeordnet sind, ist es
ratsam, den Wärmegradienten zu vergrößern, so daß die durch
das Einwirken der Ionen übertragene Wärme nach der Reaktion
schnell zur Rückseite hin entweichen kann.
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Gemäß dem Verfahren dieser Erfindung kann ein vertikales
Ätzen erreicht werden, ohne daß eine Seitenwandabscheidung
gebildet werden müßte, die bei den herkömmlichen vertikalen
Ätzverfahren erforderlich war. Weiterhin kann die Änderung
der Abmessungen der Resistmaske im Vergleich zu den
herkömmlichen Verfahren erheblich verringert werden, so daß die
Genauigkeit der Abmessungen bei der Ätzbearbeitung stark
verbessert wird. Weiterhin kann beim Verfahren dieser Erfindung
auf den Schritt des Entfernens der Seitenwandablagerung
verzichtet werden und das Verunreinigen der Innenwände der
Vorrichtung minimiert werden. Es wird auf diese Weise in
Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, ein
sehr genaues den Abmessungen der Maske vor dem Ätzen getreues
Trockenätzen zu erreichen, den Durchsatz durch das Verringern
von Verunreinigungen und von Schmutz, die für eine
Verschlechterung der Elementeigenschaften verantwortlich sind,
und durch eine Verringerung der Schritte zu verbessern und
die Wartungsarbeiten, wie das Reinigen des Innern der
Vorrichtung, zu verringern. Es ist weiterhin möglich, die
Resistmaterialien zu verwenden, die wegen schlechter Trocken
ätz-Widerstandsfähigkeitseigenschaften bisher als nicht
verwendbar angesehen wurden.