DE4132565C2 - Verfahren zum isotropen Downstream-Plasmaätzen mit Mikrowellenanregung bei der Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum isotropen nicht-magnetfeldunterstützten Plasmaätzen in einer von der Mikrowellenanregung des Plasmas räumlich getrennten Reaktionskammer bei der Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen.

Ein Downstream-Plasmaätzverfahren mit Mikrowellenanregung ist beispielsweise aus dem Artikel "Downstream Plasma Etching and Stripping" von J. M. Cook, Solid State Technology/April 1987, S. 147 bis 151, bekannt. Allgemein wird zum Stand der Ätztechnik als einem der grundlegenden Prozesse, die in der Prozeßfolge zur Herstellung von hochintegrierten Schaltungen aus Siliziumsubstraten immer wieder verwendet werden, auf Kapitel 5 des Buches "Technologie hochintegrierter Schaltungen", 1988, von D. Widmann, H. Mader und H. Friedrich, hingewiesen.

Obwohl die Fortschritte bei der Integrationsdichte in der Halbleitertechnologie den zunehmenden Einsatz von anisotropen plasmaunterstützten (Trocken-)Ätzverfahren zur maßhaltigen Übertragung einer Maskenstruktur in eine darunterliegende Schicht erfordern, wird auch das rein chemische, also isotrope, plasmaunterstützte Ätzen an vielen Stellen der Herstellungsprozesse in der Mikroelektronik eingesetzt. Als typische Einsatzfelder seien beispielsweise das beschädigungsfreie ganzflächige Strippen von Schichten auf der Scheibenvorder- oder -rückseite, aber auch das Strukturieren von Schichten, etwa um eine spezielle Form der Ätzflanke zu erreichen, genannt. Besonders geeignet für derartige Ätzungen sind chemische Downstream-Verfahren, bei denen die Generierung angeregter neutraler Teilchen in bekannter Weise in einer Plasmagasentladung räumlich getrennt von der in einer Reaktionskammer durch Diffusion der Reaktivteilchen stattfindenden, rein chemischen Ätzreaktion erfolgt.

Es ist auch bekannt, daß bei der Anregung durch Mikrowellen, die typischerweise von einem Generator mit einer Arbeitsfrequenz von 2,45 GHz erzeugt werden, vergleichsweise hochangeregte neutrale Teilchen (Radikale) generiert werden können. Die mikrowellenenergiegespeiste Generierung derartiger Teilchen führt zu einer, verglichen mit der üblichen Hochfrequenzentladung bei typischerweise 13,5 MHz, höheren Effektivität und Lebensdauer der Ätzspezies. Dies ermöglicht es, die Plasmaentladungszone hinreichend weit vom zu ätzenden Substrat anzuordnen, so daß keine der im Plasma immer auch mit entstehenden geladenen energiereichen Teilchen mehr das Substrat erreichen, sondern vorher neutralisiert werden. Letzteres ist sehr erwünscht, um die elektrische und thermische Belastung des Substrats möglichst gering zu halten und damit eine Beschädigung auszuschließen.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß im zur Verfügung stehenden Arbeitsdruckbereich von etwa 13 bis knapp 300 Pa beim rein chemischen Ätzen mit Mikrowellenanregung sogenannte Mikroloadingeffekte auftreten, dergestalt, daß die lokale Ätzrate abhängig ist von der offenen Fläche bzw. der Lackbedeckung in unmittelbarer Umgebung der Struktur. Dies führt dazu, daß die Maßhaltigkeit der Struktur, die beim isotropen Ätzen bekanntlich ohnehin eine kritische Größe ist, aufgrund dieses Effekts vollends nicht mehr handhabbar und tolerierbar wird. Eine teilweise Lösung dieser Schwierigkeit durch Anwendung eines ionenunterstützten Plasmaätzverfahrens ohne Einsatz eines Mikrowellendownstreams ist zwar möglich, jedoch wegen der kürzeren Reichweite der dabei angeregten Ätzspezies wiederum problematisch. Da die Entfernung zur Reaktionskammer nicht mehr ausreichend groß gewählt werden kann, wäre bei einem derartigen Verfahren das Substrat noch teilweise dem Plasma ausgesetzt, was einen Ionen- und Elektronenbeschuß und die damit verbundene Schädigung hochempfindlicher Substratschichten zur Folge hätte.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber den genannten Nachteilen verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem insbesondere der Mikroloadingeffekt vermieden werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Arbeitsdruck der Ätzgase in der Ätzanlage so auf einen Wert in einem Bereich von 4 bis 0,13 Pa eingestellt wird, daß die Ätzung auf der zu ätzenden Substratschicht mit einer von in der jeweiligen unmittelbaren Umgebung vorhandenen freien oder mit Lack bedeckten Stellen unabhängigen lokalen Ätzgeschwindigkeit erfolgt. Vorteilhafterweise wird der Arbeitsdruck in einem Bereich von 1,0 bis 1,5 Pa, insbesondere auf etwa 1,3 Pa eingestellt.

Der erfindungsgemäß zu verwendende Arbeitsdruckbereich war bisher höchstens mit aufwendigen, magnetfeldunterstützten Plasmaätzverfahren, beispielsweise dem ECR-Verfahren, zugänglich. In der am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereichten deutschen Patentanmeldung Nr. P 41 32 558.3 mit dem Titel "Verfahren zur Generierung angeregter neutraler Teilchen für Ätz- und Abscheideprozesse in der Halbleitertechnologie mittels einer mikrowellenenergiegespeisten Plasmaentladung", die hiermit in die Offenbarung einbezogen wird, ist jedoch eine Mikrowellenquelle beschrieben, bei der durch spezielle Dimensionierung, Abstimmung und durch Anlegen eines Magnetfeldes innerhalb eines Hohlleitersystems die Anregungsdichte im Plasma stark erhöht wird. Dadurch ist dieses Verfahren auch bei relativ niedrigem Druck (unterhalb 1,3 Pa) noch einsetzbar. Das zitierte Verfahren liefert im genannten niedrigen Druckbereich Ätzraten, wie sie normalerweise nur mit eine Größenordnung höheren Arbeitsdrücken erzielt werden können.

Die Erfindung wird im folgenden, unter anderem anhand eines Ausführungsbeispieles, noch näher erläutert.

Nachfolgend werden einige wichtige Verfahrensparameter für eine an sich bereits bekannte isotrope Ätzung von hochdotiertem Polysilizium mit einer Ätzgasmischung aus Tetrafluorkohlenstoff und Sauerstoff genannt.

Gasflüsse:
100 Standard-cm³/Minute CF₄; 30 Standard-cm³/Minute O₂
Druck:	1,3 Pa
Ätzrate:	200 nm/min

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann durch Einstellung des Arbeitsdruckes innerhalb des genannten, niedrigen Druckbereichs unschwer die freie Weglänge der reaktiven Teilchen groß gegenüber den Strukturabmessungen gewählt werden. Dies hat zur Folge, daß keine lokale An- bzw. Abreicherung von Ätzspezies und Ätzprodukten unmittelbar über den Strukturen entstehen kann, d. h. ein Mikroloadingeffekt wird verhindert. Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, daß bei Mikrowellenanregung ein Mikroloadingeffekt nicht nur bei zu hohem Arbeitsdruck auftritt. Bei Verringerung des Arbeitsdruckes tritt ungefähr ab 0,5 Pa überraschenderweise ein umgekehrter Mikroloadingeffekt auf, wobei die Ätzung offenbar lokal im Bereich von Löchern in der Struktur langsamer vonstatten geht, vermutlich aufgrund einer dort eintretenden Verarmung an Ätzspezies.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar auf alle Ätzgase und Gasmischungen, mit denen ein Mikrowellenplasma gezündet werden kann und mit denen eine Schicht mittels einer Fotolackmaske bzw. einer sogenannten Hartmaske ganzflächig entfernt oder isotrop strukturiert werden soll.

Claims (2)

1. Verfahren zum isotropen nicht-magnetfeldunterstützten Plasmaätzen in einer von der Mikrowellenanregung des Plasmas räumlich getrennten Reaktionskammer bei der Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsdruck der Ätzgase in der Ätzanlage so auf einen Wert in einem Bereich von 4,0 bis 0,13 Pa eingestellt wird, daß die Ätzung auf der zu ätzenden Substratschicht mit einer von in der jeweiligen unmittelbaren Umgebung vorhandenen freien oder mit Lack bedeckten Stellen unabhängigen lokalen Ätzgeschwindigkeit erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsdruck in einem Bereich von 1,0 bis 1,5 Pa, insbesondere auf etwa 1,3 Pa, eingestellt wird.