DE4308203C2 - Plasmaätzvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Plasmaätz­ vorrichtung, bei der Elektronzyklotronresonanz verwendet ist.

Fig. 4 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Plasmaätz­ vorrichtung. In dieser Figur ist ein Träger 3 zum Anordnen und Halten einer Probe wie beispielsweise einem Halbleiter­ wafer 2 dargestellt, der in einer Reaktionskammer 1 angeord­ net ist. Auf der oberen Seite der Reaktionskammer 1 ist eine Gaseinlaßleitung 4 zum Einführen eines reaktiven Gases in die Reaktionskammer 1 vorgesehen. Außerhalb der Reaktions­ kammer 1 ist eine Mikrowellenerzeugungsvorrichtung, z. B. eine Mikrowellenleistungsquelle 5 zum Erzeugen von Mikrowel­ len vorgesehen. Mikrowellen mit einer vorbestimmten Fre­ quenz, die durch die Mikrowellenleistungsquelle 5 erzeugt werden, werden in die Reaktionskammer 1 über einen Wellen­ leiter und ein Quarzfenster 7 geführt. Des weiteren ist am äußeren Rand des auf der Reaktionskammer 1 vorgesehenen Quarzfensters 7 eine Spule 8 vorgesehen, die als Magnet­ felderzeugungsvorrichtung dient. Die Spule 8 bewirkt, daß ein Magnetfeld mit einer vorbestimmten Magnetfelddichte an eine Oberfläche des auf dem Träger 3 angeordneten Halblei­ terwafers 2 in vertikaler Richtung geführt wird. Die Magnet­ felderzeugungsvorrichtung kann entweder eine Spule oder einen Permanentmagneten aufweisen. Ein Auslaßanschluß 9 ist desweiteren auf der unteren Seite der Reaktionskammer 1 vor­ gesehen, und ferner ist eine (nicht näher dargestellte) Aus­ laßvorrichtung wie beispielsweise eine Vakuumpumpe oder der­ gleichen mit dem Auslaßanschluß 9 verbunden, so daß die Re­ aktionskammer 1 evakuiert werden kann und auf einem vorbe­ stimmten Vakuum gehalten werden kann.

Falls bei dieser Plasmaätzvorrichtung der Halbleiterwafer 2 geätzt werden soll, wird die Reaktionskammer 1 zunächst eva­ kuiert, und anschließend wird ein Reaktionsgas, wie bei­ spielsweise ein Halogengas oder dergleichen, aus der Gasein­ laßleitung 4 eingeführt, während die Reaktionskammer 1 zur Aufrechterhaltung des Inneren der Reaktionskammer 1 auf einen vorbestimmten Druck evakuiert wird. Daran anschließend werden durch die Mikrowellenleistungsquelle 5 Mikrowellen erzeugt und über den Wellenleiter 6 und das Quarzfenster 7 in die Reaktionskammer 1 geführt, wobei in der Reaktionskam­ mer 1 durch die Spule 8 ein Magnetfeld angelegt ist. Die Re­ sonanz zwischen dem Magnetfeld und den Mikrowellen bewirkt, daß Elektronen Zyklotronbewegungen durchführen und Energie absorbieren, so daß ein hochdichtes Plasma durch Kollision der Elektronen mit dem reaktiven Gas erzeugt wird. Das er­ zeugte Plasma wird entlang der durch die Spule 8 erzeugten Magnetfeldlinien an den Halbleiterwafer 2 zur Ätzung des Halbleiterwafers 2 geführt.

Auf der Oberfläche des mit dem Plasma in einer senkrechten Richtung bestrahlten Halbleiterwafers 2 wird ein sogenanntes elektrisches Ionenabschirmfeld ("sheath") erzeugt auf Grund eines Potentialunterschiedes zwischen dem Plasmapotential und dem Schwebepotential ("floating potential"). Kationen (die im folgenden als "Ionen" bezeichnet werden), die in dem Plasma vorhanden sind, werden durch das elektrische Ionenabschirmfeld beschleunigt und dadurch auf die Oberflä­ che des Halbleiterwafers 2 mit guter Linearität geführt, so daß auf der Oberfläche des Halbleiterwafers 2 eine Fein­ strukturierung gebildet wird.

Da die in dem Plasma vorhandenen Ionen durch das elektrische Ionenabschirmfeld wie vorstehend beschrieben beschleunigt werden, werden die Ionen auf den Halbleiterwafer 2 mit gleichförmigen Richtungseigenschaften geführt. Im Gegensatz hierzu werden die Elektronen in dem Plasma durch das elek­ trische Ionenabschirmfeld abgebremst und somit an den Wafer 2 ohne Richtungseigenschaften geführt.

Dieser Zustand ist des weiteren in größeren Einzelheiten un­ ter Bezugnahme auch auf Fig. 5 und 6 beschrieben. Die Fig. 5 und 6 zeigen in vergrößerten Schnittansichten der Oberfläche des Halbleiterwafer 2 das Verhalten der Io­ nen und der Elektronen während der Feinstrukturierungsätzung des Halbleiterwafers 2 unter Verwendung einer Plas­ maätzvorrichtung. Gemäß Fig. 5 sind ein SiO₂-Film 10, ein Si-Film 11 und eine Photolackstrukturierung 12 in dieser Reihenfolge auf der Oberfläche des Halbleiterwafers 2 gebil­ det, so daß die Ätzung unter Verwendung einer Maske der Pho­ tolackstrukturierung 12 durchgeführt wird. Da sowohl die Io­ nen, als auch die Elektronen zu der Oberfläche der Photo­ lackstrukturierung 12 mit der fortschreitenden Ätzung gelie­ fert werden, wird die elektrische Neutralität aufrechterhal­ ten. Da die Ionen in eine Mikrostrukturierung 13 in vertika­ ler Richtung zur Oberfläche des Halbleiterwafers 2 eintre­ ten, erreichen die Ionen den Boden 15 der Mikrostrukturie­ rung 13, ohne mit der Seitenwand 14 der Mikrostrukturierung 13 zusammenzutreffen. Da die Elektronen auf der anderen Seite keine Richtungseigenschaften aufweisen, wie vorstehend beschrieben, werden die Elektronen zur Seitenwand 14 der Mikrostrukturierung 13 geführt und erreichen somit nicht ohne weiteres den Boden 15 der Mikrostrukturierung 13.

Wenn in diesem Fall ein leitender Film, wie beispielsweise Si-Film 11 geätzt wird, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, rekombinieren die an den Boden 15 der Mikrostrukturierung geführten Ionen und die an die Seitenwand 14 der Mikrostruk­ turierung geführten Elektronen in dem Film zur Neutralisie­ rung des Filmes, so daß die elektrische Neutralität auf­ rechterhalten wird. Wenn jedoch ein isolierender Film wie beispielsweise der SiO₂-Film 10 mit dem Fortschreiten der Ätzung freigelegt wird, wie es in Fig. 6 dargestellt wird, werden die an den Boden 15 der Mikrostrukturierung geführten Ionen nicht mit den an die Seitenwand 14 der Mikrostruktu­ rierung geführten Elektronen neutralisiert, und somit wird der Boden 15 der Mikrostrukturierung positiv aufgeladen. Auf der anderen Seite ist die Seitenwand der Mikrostrukturierung durch die hieran geführten Elektronen negativ aufgeladen. Die Bahnkurve der an den Boden 15 der Mikrostrukturierung geführten Ionen ist somit durch die Abstoßung der positiven Ladung in dem positiv aufgeladenen Boden der Mikrostruktu­ rierung und der Anziehung der negativ aufgeladenen Seiten­ wand 14 der Mikrostrukturierung gebogen. Als Ergebnis hiervon treten die Ionen lokal in die Grenzfläche zwischen dem Si-Film 11 und dem SiO₂-Film 10 ein und bilden eine sogenannte Nase.

Um das Auftreten einer derartigen Nase zu verhindern, wird im allgemeinen eine in Fig. 7 dargestellte Plasmaätzvor­ richtung verwendet. Bei der in Fig. 7 dargestellten Plas­ maätzvorrichtung ist eine HF-(Hochfrequenz)-Leistungsquelle 17 über eine Impendanzanpaßeinheit 16 mit einem Träger 3 verbunden. Die HF-Leistungsquelle 17 ermöglicht die Anlegung einer HF-Vorspannung an den Halbleiterwafer 2, so daß die Energie der Ionen durch Beschleunigung vergrößert werden kann und diese an den Halbleiterwafer 2 geführt werden kön­ nen. Da bei dieser Vorrichtung die Bahnkurve der Ionen etwas durch die Aufladung auf Grund der hohen Ionenenergie gebogen ist, tritt nicht ohne weiteres eine Nase auf. Jedoch bewirkt die hohe Ionenenergie ein Ätzen des SiO₂-Filmes 10, der einen Basisfilm darstellt, wodurch die Ätzselektivität ver­ ringert wird.

Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, divergieren die Magnet­ feldlinien B, welche durch die Spule 8 erzeugt sind, von der Spule 8 ausgehend zur Mitte und sind somit nicht vertikal in Richtung des Halbleiterwafers 2 bei dem Randbereich der Oberfläche des Halbleiterwafers 2. Obwohl Ionen an den Halb­ leiterwafer 2 mit guter Linearität auf Grund der Be­ schleunigung der Ionen durch das elektrische Ionenabschirm­ feld geführt werden, neigen die Ionen dazu, da die Ionen auf Grund von Zusammenstößen der Elektronen mit dem reaktiven Gas erzeugt sind, entlang der Linien B des Magnetfeldes be­ wegt zu werden, und somit den Elektronen zu folgen. Es be­ steht somit der Nachteil, daß die Ionen nicht in vertikaler Richtung an den Halbleiterwafer 2 im Randbereich des Halb­ leiterwafers 2 geführt werden, so daß keine ausreichend an­ isotrope Ätzung durchgeführt werden kann.

Des weiteren ist die Verteilung der Magnetfeldlinien B im Randbereich des Halbleiterwafers 2 im Vergleich zu dem mitt­ leren Abschnitt des Halbleiterwafers dünner. Es liegt somit der Nachteil vor, daß wegen des Unterschiedes in der Plasma­ dichte des mittleren Abschnittes und des Randbereiches des Halbleiterwafers 2 ein Unterschied in den Ätzgeschwindigkei­ ten dieser beiden Abschnitte verursacht wird, so daß die Gleichförmigkeit der Ätzung verschlechtert ist.

Die vorstehend erläuterte Plasmaätzvorrichtung weist somit den Nachteil auf, eine Nase auf Grund einer lokalen Aufla­ dung in der Mikrostrukturierung zu erzeugen und hierdurch die Anisotropie der Ätzung zu verschlechtern.

Ferner weist diese Vorrichtung den Nachteil auf, daß, falls die Anisotropie der Ätzung durch Anheben der Ionenenergie vergrößert wird, die Ätzselektivität verringert wird, und es somit schwierig ist, eine Ätzung mit sowohl verbesserter An­ isotropie, als auch verbesserter Ätzselektivität durchzufüh­ ren.

Die Vorrichtung weist ferner wegen der Divergenz der Magnetfeldlinien von der Mitte der Spule her den Nachteil auf, daß eine anisotrope Ätzung in dem Randbereich des Halbleiterwafers 2 nicht ausreichend durchgeführt werden kann, so daß die Gleichförmigkeit der Ätzung verschlechtert ist.

Eine Plasmaätzvorrichtung etwa der in Fig. 7 dargestellten Art ist der EP 0 395 415 A2 zu entnehmen. Sie zeigt innerhalb einer Reaktionskammer einen Träger für die zu ätzende Probe, wobei der Reaktionskammer über einen Wellenleiter von einer Mikrowellenerzeugungseinrichtung Mikrowellenenergie zugeführt wird. Über eine Auslaßvorrichtung kann die Reaktionskammer evakuiert werden und über eine Gaseinlaßleitung mit einem reaktiven Gas beaufschlagt werden. An die Probe ist eine Impulsvorspannung anlegbar.

Die Veröffentlichung J. Vac. Sci. Technol. Band A9(6), 1991, Seiten 3113-3118 beschreibt eine ECR-Ätzvorrichtung, bei der das Substrat entweder geerdet oder auf einem schwebenden Potential gehalten oder mit einer Gleichspannung beaufschlagt wird oder aber auch an sehr hochfrequente Spannung angelegt werden kann.

"Dünne Schichten", Heft 4, 1992, Seiten 13-15, beschreibt die Einflußnahme auf ein Plasma durch Anlegen von bipolaren Impulsen an eine Probe.

Ausgehend von einer Plasmaätzvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1, wie sie der vorerwähnten EP 0 395 415 A2 entnehmbar ist, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Plasmaätzvorrichtung zur Verfügung zu stellen, das Auftreten einer Nase durch Vermeiden einer lokalen Aufladung in einer Mikrostrukturierung zu verhindern und eine Ätzung mit sowohl verbesserter Anisotropie als auch verbesserter Selektivität durchführen zu können und des weiteren eine ausreichend anisotrope Ätzung auch in dem Randbereich eines Halbleiterwafers zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch eine Plasmaätzvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Plasmaätzvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Kurve zur Erläuterung des Potentiales des auf der Oberfläche eines Halbleiterwafers gebildeten elektrischen Ionenabschirmfeldes;

Fig. 3 eine Kurve zur Erläuterung der Abhängigkeit der Größe der Nase zum Impulsspannungs-Ein/Aus-Tastverhältnis;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Plasmaätzvorrichtung nach dem Stand der Technik;

Fig. 5 eine vergrößerte Schnittansicht einer Mikrostrukturierung auf der Oberfläche eines Halbleiterwafers;

Fig. 6 eine weitere vergrößerte Schnittansicht einer Mikrostrukturierung auf der Oberfläche eines Halbleiterwafers; und

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer weiteren Plasmaätzvorrichtung, nach dem Stand der Technik.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Plasmaätzvorrichtung entsprechend dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gemäß Fig. 1 ist eine Impulsleistungsquelle 18 mit einem Träger 3 zum hierauf Anordnen eines Halbleiterwafers 2 verbunden.

Bei dieser Plasmaätzvorrichtung wird bei einer Ätzung des Halbleiterwafers 2 eine Reaktionskammer 1 zunächst evakuiert, und es wird ein reaktives Gas in die Reaktionskammer 1 über eine Gaseinlaßleitung 4 eingeführt, während die Reaktionskammer 1 zur Aufrechterhaltung des Inneren der Reaktionskammer 1 auf einen vorbestimmten Druck evakuiert wird. Durch eine Mikrowellenleistungsquelle 5 werden Mikrowellen erzeugt und in die Reaktionskammer 1 über einen Wellenleiter 6 und ein Quarzfenster 7 geführt, und es wird ein Magnetfeld an die Reaktionskammer 1 durch eine Spule 8 zum Erzeugen eines Glasplasmas angelegt. Gleichzeitig wird eine Impulsspannung durch die mit dem Träger 3 verbundene Impulsleistungsquelle 18 erzeugt, um eine positive Impulsvorspannung an den Halbleiterwafer 2 über den Träger 3 anzulegen. Das in der Reaktionskammer 1 erzeugte Gasplasma wird entlang der Linien des durch die Spule 8 erzeugten Magnetfeldes getragen, zum Ätzen des Halbleiterwafers 2.

Fig. 2 zeigt eine Kurve zur Erläuterung des auf einer Ober­ fläche des Halbleiterwafers 2 erzeugten elektrischen Ionen­ abschirmfeldes ("ion sheath field"), wobei der Wafer in dem Gasplasma, welches durch den vorstehende beschriebenen Vor­ gang erzeugt ist, angeordnet ist. Demgemäß wird während ei­ ner Zeitdauer (t₂) keine Impulsspannung angelegt, und das Potential (Substratpotential Vs) des Halbleiterwafers 2 ist gleich einem Schwebepotential ("floating potential") (Vf), welches durch den Plasmazustand bestimmt ist. Die Potential­ differenz zwischen dem Schwebepotential und dem Plasmapo­ tential (Vp) bildet das elektrische Ionenabschirmfeld. Gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 beträgt das elektrische Ionenab­ schirmfeld 20 V.

Da eine Impulsspannung von zumindest 20 V an den Halbleiter­ wafer 2 durch die Impulsleistungsquelle 18 über den Träger 3 angelegt ist, und während der Zeitdauer t₁ die Impulsspan­ nung angelegt ist, verschwindet die Potentialdifferenz zwi­ schen dem Plasmapotential und dem Substratpotential auf Grund eines Anstieges in dem Substratpotential, und das elektrische Ionenabschirmfeld verschwindet somit. Da als Er­ gebnis die Elektronen in dem Plasma frei in den Halbleiter­ wafer 2 während der Zeitdauer t₁ eindringen können, errei­ chen die Elektronen den Boden 15 der Mikrostrukturierung und neutralisieren hierdurch die positive Ladung des Bodens 15 der Mikrostrukturierung.

Fig. 3 zeigt in einer Kurve die Abhängigkeit der Größe der Nase (bezeichnet durch A gemäß Fig. 20), die an der Grenz­ fläche zwischen dem SiO₂-Film 10 und dem Si-Film 11 erzeugt und in den Fig. 19 und 20 dargestellt ist, von dem Impuls­ spannungs-Ein/Aus-Tastverhältnis (t₂/t₁), wenn der Si-Film 11 auf dem SiO₂-Film 10 unter Verwendung der Plas­ maätzvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 geätzt wird. Die Zyklusdauer (t₁ + t₂) der Anwendung der Impuls­ spannung beträgt 0,1 Millisekunden. Obwohl die Zyklusdauer eine zeitliche Konstante darstellt, die durch die Kapazität des Halbleiterwafers und des Widerstandes des elektrischen Abschirmfeldes bestimmt ist, und der Leckzeitdauer des Auf­ ladens angepaßt ist, kann die Zyklusdauer auf geeignete Weise entsprechend dem Typ des verwendeten Halbleiterwafers, den Ätzbedingungen, der Leckzeitdauer des Aufladens usw., geändert sein.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, verringert sich die Größe der Nase mit dem Anstieg der Impulsspannungsanlegezeit t₁ und mit dem Abfall des Verhältnisses t₂/t₁. Insbesondere wird überhaupt keine Nasenbildung beobachtet, wenn t₂/t₁ < 1000 ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß wegen der klei­ neren Masse und höheren Beweglichkeit eines Elektrons im Vergleich zu einem Ion die Ladung vollständig neutralisiert werden kann, falls die Zeitdauer t₂ nicht mehr als das meh­ rere Hundertfache der Zeitdauer t₁ beträgt, welches die Elektroneneindringzeit darstellt.

In Fig. 3 ist des weiteren die Ätzselektivität zwischen dem Si-Film 11 und dem SiO₂-Basisfilm 10 dargestellt. Bei der eingangs beschriebenen Plasmaätzvorrichtung gemäß Fig. 21, bei der die Größe der Nase durch Anlegen einer RF-Vorspan­ nung verringert ist, falls ein Versuch unternommen wird zur Entfernung der Nase, wird die Ätzselektivität 20 oder gerin­ ger auf Grund eines Anstieges der Ionenenergie. Da jedoch bei der Vorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vor­ liegenden Erfindung eine positive Impulsvorspannung angelegt ist, wird die Ionenenergie nicht vergrößert, so daß die Ätz­ selektivität konstant bei 100 liegt, so daß sich im Ergebnis derselbe Wert ergibt, wie im Falle keiner Vorspannung.

Claims (3)

1. Plasmaätzvorrichtung, mit:

• (1) einem Träger (3), der eine zu ätzende Probe (2) trägt;
• (2) einer Reaktionskammer (1), in der der Träger (3) an­ geordnet ist;
• (3) einer Mikrowellenerzeugungsvorrichtung (5) zum Er­ zeugen von Mikrowellen;
• (4) einem Wellenleiter (6), der der Reaktionskammer (1) die erzeugten Mikrowellen zuführt;
• (5) einer Magnetfelderzeugungsvorrichtung (8), die an die Reaktionskammer (1) ein Magnetfeld anlegt;
• (6) einer Gaseinlaßleitung (4), die in die Reaktions­ kammer (1) ein reaktives Gas einführt;
• (7) einer Auslaßvorrichtung (9) zum Evakuieren der Re­ aktionskammer (1); und
• (8) einer Impulsleistungsquelle (18), die an die Probe (2) eine Impulsvorspannung anlegt; wobei durch Elektronzyklotronresonanz ein Plasma des reaktiven Gases gebildet wird, das die Probe (2) ätzt; dadurch gekennzeichnet, daß
  (3.1) die Mikrowellenerzeugungsvorrichtung (5) die Mi­ krowellen kontinuierlich erzeugt; und
  (8.1) die von der Impulsleistungsquelle (18) erzeugte Impulsvorspannung ein Tastverhältnis von Einschalt­ zeitdauer t₂ zu Ausschaltzeitdauer t₁ aufweist, das dem Verhältnis t₂/t₁ < 1000 entspricht.

2. Plasmaätzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gesamtzykluszeit (t₁ + t₂) der von der Impulsleistungsquelle (18) erzeugten Impulsvorspannung 0,1 ms beträgt.

3. Plasmaätzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Magnetfelderzeugungsvorrichtung (8) ein Magnetfeld von zumindest 2000 Gauss erzeugt und die von der Mikrowellenerzeugungsvorrichtung (5) erzeugten Mikrowel­ len eine Frequenz von einigen GHz bis einigen tausend GHz aufweisen.