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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft ein Trockenätzungsverfahren.
Sie betrifft insbesondere ein Trockenätzungsverfahren, bei dem das Ätzen mit
hoher Geschwindigkeit und mit guter Selektivität gegenüber einem dünnen Schutzfilm, wie einem
Photoresist oder einem Polysilikonmaterial, durchgeführt werden
kann.
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Stand der
Technik
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In
den letzten Jahren ist auf dem Gebiet der Elektronik ein rascher
Fortschritt erzielt worden. Ein Grund hierfür liegt darin, dass extrem
hoch integrierte Halbleitervorrichtungen in die Praxis eingeführt worden
sind. Trockenätzungstechniken
sind sehr wichtig, um ein feines Muster auf einem Silikonwafer zu
bilden, um eine hohe Integration zu erzielen. Diese Technik befindet
sich in einem konstanten Voranschreiten.
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Bei
der Trockenätzung
sind zur Herstellung von fluorenthaltenden Wirkstoffen durch Plasmaentladung oder
andere Mittel Gase von Verbindungen, die viele Fluoratome enthalten,
bislang als Ätzgas
eingesetzt worden. Als Beispiele für fluorenthaltende Ätzgase können hochfluorierte
Verbindungen, wie Tetrafluorkohlenstoff, Schwefelhexafluorid, Stickstofftrifluorid,
Kohlenstofftrifluormonobromid, Trifluormethan, Hexafluorethan und Octafluorpropan
genannt werden.
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Es
sind internationale Anstrengungen zum Schutz der globalen Umwelt
durchgeführt
worden und insbesondere solche, die die globale Erwärmung verhindern
oder minimieren, haben ein großes
Interesse auf sich gezogen. Beispielsweise sind durch internationale
Verträge
IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) Regeln zur Kontrolle
der Gesamtmenge der Kohlendioxidemission erlassen worden. Im Hinblick
auf diese Umstände
ist es vom Gesichtspunkt der Verhinderung der globalen Erwärmung betont
worden, dass ein zunehmendes Bedürfnis
nach der Entwicklung von Alternativen zu den bislang verwendeten
fluorierten Verbindungen besteht. Diese Verbindungen haben nämlich in
der Luft eine lange Lebensdauer und sie bewirken eine globale Erwärmung. Speziell
heißt
es, dass Tetrafluorkohlenstoff, Hexafluorethan und Schwefelhexafluorid
in Luft eine Lebensdauer von 50.000, 10.000 bzw. 3200 Jahren haben.
Diese fluorierten Verbindungen zeigen eine große Absorptionsfähigkeit
für Infrarotstrahlen
und sie üben
einen erheblichen Einfluss auf die globale Erwärmung aus. Es wird daher stark
angestrebt, ein Ätzungsverfahren
zu entwickeln, bei dem ein neues Ätzgas verwendet wird, das keinen
Temperaturanstieg des Globus bewirkt. Es soll auch Ätzungseigenschaften haben,
die mit denjenigen der bislang eingesetzten Ätzgase vergleichbar sind.
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Es
sind schon verschiedene Vorschläge
gemacht worden, um die Selektivität gegenüber einem dünnen Schutzfilm, wie einem
Photoresist oder einem Polysilikonmaterial, bei einem Trockenätzungsverfahren
zu erhöhen.
Beispielsweise ist in der ungeprüften
japanischen Patentpublikation Nr. H4-170026 schon ein Vorschlag dahingehend
gemacht worden, dass eine Siliciumverbindung unter Verwendung eines
Gases, enthaltend einen ungesättigten
Fluorkohlenstoff, wie Perfluorpropen oder Perfluorbuten, geätzt wird,
während
die Temperatur des zu ätzenden
Substrats auf eine Temperatur von nicht höher als 50°C eingestellt wird. Ein weiterer
Vorschlag wurde in der ungeprüften
japanischen Patentpublikation Nr. H4-258117 gemacht, demzufolge das Ätzen in
einer ähnlichen
Weise wie gemäß dem obigen
Vorschlag und unter Verwendung eines Gases, enthaltend einen cyclischen
gesättigten
oder einen cyclischen ungesättigten
Fluorkoh lenstoff, wie Perfluorcyclopropan, Perfluorcyclobutan, Perfluorcyclobuten
oder Perfluorcyclopenten, bewirkt wird, wobei die Temperatur des
zu ätzenden
Substrats auf eine Temperatur von nicht höher als 50°C eingestellt wird.
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Bei
den in den obigen Patentpublikationen vorgeschlagenen Trockenätzungsverfahren
ist jedoch die Geschwindigkeit des Ätzvorgangs und die Selektivität gegenüber einem
dünnen
Schutzfilm, wie einem Photoresist oder einem Polysilikonmaterial,
nicht in einem zufrieden stellenden Ausmaß hoch und Probleme treten dahingehend
auf, dass in unerwünschter
Weise auf der Oberfläche
des Wafers ein Polymerfilm durch Abscheidung gebildet wird.
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Offenbarung
der Erfindung
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Im
Hinblick auf die vorstehenden herkömmlichen Techniken ist es Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Trockenätzungsverfahren zur Verfügung zu
stellen, bei dem das Ätzen
mit hoher Selektivität
gegenüber
einem dünnen
Schutzfilm, wie einem Photoresist oder einem Polysilikonmaterial,
mit hoher Ätzgeschwindigkeit
ohne Bildung eines Polymerfilms durch Abscheidung durchgeführt wird
und somit gute Ätzungsergebnisse
erhalten werden.
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Die
Erfinder haben fortgeführte
Untersuchungen hinsichtlich des Trockenätzens einer Siliciumverbindung
unter Verwendung von Trockenätzungsgasen,
enthaltend Perfluorcycloolefine, durchgeführt und sie haben gefunden,
dass dann, wenn das Trockenätzen
unter Verwendung eines Trockenätzungsgases,
enthaltend Octafluorcyclopenten, durchgeführt wird, während ein Plasma mit einem
Bereich hoher Dichte von mindestens 1010/cm3 bei einer erreichten Temperatur des Substrats
im Bereich von 60°C
bis 250°C
ohne Kontrolle der erreichten Temperatur des Substrats und bei einem
Druck des Gases im Bereich von 1333 Pa (10 Torr) bis 133, 3·10-5 Pa (10-5 Torr)
erzeugt wird, eine zufrieden stellende Ät zung mit hoher Ätzgeschwindigkeit
bei einer hohen Selektivität
gegenüber
dem Photoresist und mit hoher Selektivität gegenüber dem Polysilikonmaterial
und ohne Abscheidung eines Polymerfilms erzielt werden kann.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Trockenätzungsverfahren
zur Verfügung
gestellt, das dadurch charakterisiert ist, dass ein zu ätzendes
Substrat einem Trockenätzen
unter Verwendung eines Trockenätzungsgases,
enthaltend Octafluorcyclopenten, unterworfen wird, wobei ein Plasma
mit einem Bereich hoher Dichte von mindestens 1010/cm3 bei einer erreichten Temperatur des Substrats
im Bereich von 60°C
bis 250°C
ohne Kontrolle der erreichten Temperatur des Substrats und bei einem
Druck des Gases im Bereich von 1333 Pa (10 Torr) bis 133,3·10-5 Pa (10-5 Torr)
erzeugt wird.
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Beste Art
und Weise der Durchführung
der Erfindung
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Das
erfindungsgemäß verwendete
Trockenätzungsgas
bzw. das erfindungsgemäß verwendete
trockene Ätzungsgas
ist dadurch charakterisiert, dass es Octafluorcyclopenten umfasst.
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Gewünschtenfalls
kann ein Fluorkohlenstoff, ausgewählt aus anderen Perfluorcycloolefinen
als Octafluorcyclopenten und geradkettigen ungesättigten Perfluorkohlenwasserstoffen
und Perfluoralkanen und Perfluorcycloalkanen, in Kombination mit
Octafluorcyclopenten verwendet werden. Jedoch kann, wenn diese optionalen
Perfluorkohlenstoffe in großer
Menge verwendet werden, die Aufgabe der vorliegenden Erfindung nicht
gelöst
werden. Daher ist die Menge dieser Perfluorkohlenstoffe gewöhnlich nicht
größer als
30 Gew.-%, vorzugsweise
nicht größer als
20 Gew.-% und mehr bevorzugt nicht größer als 10 Gew.-%, bezogen
auf die gesamte Menge der Fluorkohlenstoffe.
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Die
Fluorkohlenwasserstoffe können
auch in Kombination mit dem oben genannten Octafluorcyclopenten
als Ätzgas
eingesetzt werden.
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Die
verwendeten Fluorkohlenwasserstoffgase sind keinen besonderen Begrenzungen
unterworfen, mit der Maßgabe,
dass sie flüchtig
sind. Gewöhnlich
werden die verwendeten Fluorkohlenwasserstoffe aus geradkettigen
oder verzweigtkettigen oder cyclischen gesättigten Kohlenwasserstoffen
ausgewählt,
bei denen mindestens die Hälfte
der Wasserstoffatome durch Fluoratome substituiert worden ist. Als
spezielle Beispiele für
die gesättigten
Fluorkohlenwasserstoffgase können
Trifluormethan, Pentafluorethan, Tetrafluorethan, Heptafluorpropan,
Hexafluorpropan, Pentafluorpropan, Nonafluorbutan, Octafluorbutan,
Heptafluorbutan, Hexafluorbutan, Undecafluorpentan, Decafluorpentan,
Nonafluorpentan, Octafluorpentan, Tridecafluorhexan, Dodecafluorhexan,
Undecafluorhexan, Heptafluorcyclobutan, Hexafluorcyclobutan, Nonafluorcyclopentan,
Octafluorcyclopentan und Heptafluorcyclopentan genannt werden. Von
diesen werden Trifluormethan, Pentafluorethan und Tetrafluorethan
bevorzugt. Die Fluorkohlenwasserstoffgase können entweder allein oder als
Kombination von mindestens zwei davon zum Einsatz kommen.
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Die
Menge des Fluorkohlenwasserstoffgases, das in Kombination mit dem
Octafluorcyclopenten eingesetzt wird, variiert in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Grad des Einflusses des Fluorkohlenwasserstoffgases
auf das zu ätzende
Material. Die Menge ist aber gewöhnlich
nicht größer als
50 Mol-% und vorzugsweise nicht größer als 30 Mol-%, bezogen auf
das Octafluorcyclopenten.
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Entsprechend
den Notwendigkeiten können
verschiedene Gase, die allgemein zum Trockenätzen eingesetzt werden, dem
erfindungsgemäß verwendeten
Trockenätzungsverfahren
zugesetzt werden. Solche zugesetzten Gase schließen z.B. Sau erstoffgas, Stickstoffgas,
Argongas, Wasserstoffgas, Chlorgas, Kohlenmonoxidgas, Kohlendioxidgas,
Stickstoffoxidgas und Schwefeloxidgas ein. Von diesen sind Sauerstoffgas
und Kohlendioxidgas zu bevorzugen. Sauerstoffgas ist am meisten
zu bevorzugen. Diese Gase können
entweder allein oder als Kombination von mindestens zwei davon zum
Einsatz kommen.
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Die
Menge des gegebenenfalls zugesetzten Gases variiert in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Grad des Einflusses des Gases auf das zu ätzende Material,
beträgt
jedoch üblicherweise
nicht mehr als 40 Gew.-Teile und liegt vorzugsweise im Bereich von
3 bis 25 Gew.-Teilen, bezogen auf 100 Gew.-Teile des Trockenätzungsgases,
das Octafluorcyclopenten enthält.
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Das
zu ätzende
Substrat hat eine Struktur derart, dass eine dünne Filmschicht eines zu ätzenden
Materials auf einem Substrat in Folienform bzw. Blättchenform,
wie einer Glasfolie bzw. einem Glasblättchen, einem Siliciummonokristallwafer
oder einem Galliumarsensubstrat, gebildet worden ist. Als spezielle
Beispiele für
das zu ätzende
Material können
Siliciumoxid, Siliciumnitrid, Aluminium, Wolfram, Molybdän, Tantal,
Titan, Chrom, Chromoxid und Gold genannt werden. Als bevorzugtes
Beispiel für
das zu ätzende
Substrat kann ein Silikonwafer genannt werden, der darauf gebildet
einen dünnen
Film aus Siliciumoxid oder einen dünnen Aluminiumfilm aufweist.
Im Falle, dass ein dünner
Film von Siliciumoxid geätzt
wird, hat der dünne
Siliciumoxidfilm vorzugsweise einen dünnen Schutzfilm, bestehend
aus einem Photoresist oder einem Polysilikonmaterial.
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Beim
erfindungsgemäßen Trockenätzungsverfahren
wird ein Plasma mit einem Bereich hoher Dichte von mindestens 1010/cm3 zum Ätzen erzeugt.
Vorzugsweise wird ein Plasma mit einer hohen Dichte im Bereich von
1010/cm3 bis 1012/cm3 erzeugt, um
eine hohe Ätzleistung
zu erhalten und um ein feines Muster zu bilden. Wenn die Plasmadichte
zu niedrig ist, dann kann die hohe Geschwindigkeit des Ätzens sowie
die hohe Selektivität
gegenüber
dem Photoresist und dem Polysilikonmaterial, die erfindungsgemäß angestrebt
wird, nicht erreicht werden. Weiterhin kann es sein, dass eine unerwünschte Bildung
eines Polymerfilms durch Abscheidung erfolgt.
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Bei
den herkömmlichen
Trockenätzungsverfahren,
bei denen ein reaktives Ionenätzsystem,
beispielsweise ein solches vom parallelen Flachplatten-Typ oder
vom Magnetron-Typ verwendet wird, ist es schwierig oder sogar unmöglich, ein
Plasma zu erzeugen, das den oben genannten Bereich mit hoher Dichte
aufweist. Vorzugsweise wird ein System vom Helikon-Wellen-Typ und
vom Hochfrequenz-Induktions-Typ eingesetzt, um ein Plasma mit einem
Bereich hoher Dichte zu erzeugen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Trockenätzungsverfahren
ist der Druck des oben genannten Trockenätzungsgases, umfassend ein
Perfluorcyclopenten und gegebenenfalls weitere Gase, keinen besonderen
Beschränkungen
unterworfen und im Allgemeinen wird das Ätzungsgas in die Ätzungsvorrichtung
in einem solchen Ausmaß eingeführt, dass
der Innendruck der Vakuumätzungsvorrichtung
einen Wert im Bereich von etwa 1333 Pa (10 Torr) bis 133,3·10-5 Pa (10-5 Torr)
und vorzugsweise 133, 3·10-2 Pa (10-2 Torr)
bis 133, 3·10-3 Pa (10-3 Torr)
erreicht.
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Die
Temperatur, die das zu ätzende
Substrat erreicht liegt im Bereich von 60°C bis 250°C und vorzugsweise 80°C bis 200°C.
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Es
wird bevorzugt, dass das Ätzen
ohne eine wesentliche Kontrolle der erreichten Temperatur des zu ätzenden
Substrats durchgeführt
wird. Unter der hierin verwendeten Floskel „ohne wesentliche Kontrolle
der erreichten Tempe ratur" soll
verstanden werden, dass die Ätzung
unter solchen Bedingungen durchgeführt wird, dass das Substrat
bei einer Temperatur gehalten wird, die in den Bereich von ± 30% der
Temperatur, die das Substrat erreicht, wenn überhaupt keine Temperaturkontrolle
durchgeführt
wird, vorzugsweise von ± 20% der
genannten Temperatur und mehr bevorzugt innerhalb ± 10% der
genannten Temperatur fällt.
Daher wird keine Verfahrensweise für die absichtliche und rasche
Abkühlung
des Substrats, das aufgrund der beim Ätzen erzeugten Wärme erhitzt
worden ist, durchgeführt,
jedoch kann bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Verfahrensweise angewendet werden, bei der die Abkühlungsgeschwindigkeit
so kontrolliert wird, dass das Substrat langsam abkühlt. Die
Temperatur des Substrats wird üblicherweise
im Bereich von 60 bis etwa 250°C
und vorzugsweise 80 bis 200°C
gehalten, wenn das Ätzen
ohne wesentliche Kontrolle der erreichten Temperatur durchgeführt wird.
Bei solchen Temperaturbedingungen kann eine hohe Geschwindigkeit des Ätzens erreicht
werden, während
eine hohe Selektivität
gegenüber
dem Polysilikonmaterial und dem Photoresist aufrechterhalten werden
kann. Weiterhin kann bei diesen moderaten Temperaturbedingungen
eine unerwünschte
Abscheidung des Polymeren, die aufgrund der Polymerisation eines
Perfluorcyclopentens auftritt, vermieden werden.
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Die
Zeit für
die Ätzungsbehandlung
liegt in einem Bereich von etwa 10 Sekunden bis etwa 10 Minuten. Jedoch
kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine hohe Geschwindigkeit des Ätzens
bewirkt werden, so dass im Hinblick auf die Produktivität vorzugsweise
die Ätzzeit
im Bereich von 10 Sekunden bis 3 Minuten liegt.
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Die
Erfindung wird genauer anhand der folgenden Beispiele beschrieben,
jedoch sollen diese Beispiele den Rahmen der Erfindung nicht einschränken.
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Beispiele 1 bis 9
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Drei
Arten von Silikonwafern, jeweils mit einem Durchmesser von 150 mm,
auf deren Oberfläche
ein dünner
Film von Siliciumoxid (SiO2), ein dünner Film
eines Photoresists (PR) oder ein dünner Film eines Polysilikonmaterials
(Poly-Si) gebildet worden war, wurden in ein Plasmaätzgerät vom Helikon-Wellen-Typ
(Typ „I-4100SH", hergestellt von
der Firma Anelva Corp.) eingesetzt. Das Innere des Ätzgeräts wurde
unter Vakuum gesetzt und dann wurde das Ätzungsgas, das Octafluorcyclopenten
enthielt, in das Ätzungsgerät mit einer Fließgeschwindigkeit
von 50 sccm eingeführt.
Das Ätzen
wurde unter Plasmabestrahlungsbedingungen durchgeführt, wobei
die Dichtebereiche variierten, indem die elektrische Energie für die Erzeugung
des Plasmas verändert
wurde, wie es in Tabelle 1 gezeigt wird, während der Druck im Inneren
des Ätzgeräts bei 666,6·10-3 Pa (5 mTorr) gehalten wurde. Die Temperatur
der Wafer wurde nicht kontrolliert und alle drei Wafer erreichten
eine Temperatur von etwa 130°C.
Die Ätzzeiten
lagen im Bereich von 15 bis 60 Sekunden. Die Ätzgeschwindigkeit wurde an
fünf Punkten
auf jedem Wafer, nämlich
(i) im Zentrum, (ii) an zwei Punkten im Abstand von 35 mm vom Zentrum
in gegenüber
liegenden Richtungen auf einem Durchmesser angeordnet und (iii)
zwei Punkten, angeordnet in einem Abstand von 65 mm vom Zentrum
in gegenüber
liegenden Richtungen des Durchmessers durchgeführt.
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Die Ätzgeschwindigkeiten,
die an den oben angegebenen fünf
Punkten auf einem Durchmesser des Wafers gemessen wurden, werden
als Ätzgeschwindigkeit-1,
-2, -3, -4 bzw. -5 in der oben angegebenen Reihenfolge bezeichnet.
Die Selektivität
für die Ätzung des
Photoresists (PR) und des Polysilikonmaterials (Poly-Si) wurde in
der Weise bestimmt, dass die Ätzgeschwindigkeiten,
wie auf Siliciumoxid (SiO2), Photoresist (PR)
und Polysilikonmaterial (Poly-Si) bei den gleichen Ätzbedingungen
gemessen, verglichen wurden und dass die Selektivität gegenüber PR und
gegenüber
dem Poly-Si-Material
gemäß der folgenden
Gleichung berechnet wurde.
Selektivität = (Mittlere Ätzgeschwindigkeit
auf SiO2)/(mittlere Ätzgeschwindigkeit auf PR- oder
Poly-Si-Material)
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Die Ätzungsbedingungen
und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
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Die
drei Arten der verwendeten Wafer wurden wie folgt hergestellt.
SiO2: ein dünner
Film aus Siliciumoxid wurde auf einer Oberfläche des Wafers gebildet.
PR:
eine Oberfläche
des Wafers wurde mit Photoresist beschichtet.
Poly-Si: ein
dünner
Film von Polysilikonmaterial wurde auf einer Oberfläche des
Wafers gebildet.
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Die
Lebensdauer in Luft des als Ätzungsgas
verwendeten Octafluorcyclopentens erwies sich als 1,0 Jahre, gemessen
als Reaktionsgeschwindigkeit gegenüber Hydroxylradikalen. Somit
wurde bestätigt,
dass der Einfluss auf die globale Erwärmung extrem niedrig ist. Weiterhin
wurde auch angenommen, dass die Lebensdauer des Octafluorcyclopentens
in Luft ebenfalls 0,3 Jahre betrug, wie aus der HOMO-Energie des
Moleküls gemäß Atmospheric
Environment, Bd. 26A, Nr. 7, S. 1331 (1992) berechnet.
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Vergleichsbeispiele 1
bis 3
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Silikonwafer,
jeweils mit einem Durchmesser von 150 mm, auf deren Oberfläche ein
dünner
Film aus Siliciumoxid (SiO2) gebildet worden
war, wurden in ein reaktives Ionenplasmaätzgerät vom parallelen Platten-Typ
(„TE5000S", hergestellt von
der Firma Tokyo Electron Co.) eingesetzt. Das Ätzen erfolgte nach der gleichen
Verfahrensweise wie in Beispiel 4, wobei ein Teil der Ätzungsbedingungen
wie folgt abgeändert
wurde:
Fließgeschwindigkeit
des Octafluorcyclopentens: 40 sccm
Innendruck: 20,0 Pa (150
mTorr) (Vergleichsbeispiel 1)
33,33 Pa (250 mTorr) (Vergleichsbeispiel
2)
46,66 Pa (350 mTorr) (Vergleichsbeispiel 3)
Plasmadichte:
5 × 109/cm3
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Als
Ergebnis des Ätzvorgangs
war bei allen angewendeten Innendrücken das Octafluorcyclopenten polymerisiert
und es war als Polymerfilm auf der Oberfläche des Wafers abgeschieden.
Es wurde kein Ätzen bewirkt.
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Vergleichsbeispiele 4
bis 12
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Die
in den Beispielen 1 bis 9 angewendeten Trockenätzungsverfahrensweisen wurden
wiederholt, wobei Tetrafluorkohlenstoff anstelle des Octafluorcyclopentens
verwendet wurde und wobei alle anderen Bedingungen die gleichen
blieben. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt.
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Vergleichsbeispiele 13
bis 21
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Die
Trockenätzungsverfahrensweisen
wie in den Beispielen 1 bis 9 verwendet wurden, wurden wiederholt,
wobei Octafluorcyclobutan anstelle von Octafluorcyclopenten eingesetzt wurde
und wobei alle anderen Bedingungen die gleichen blieben. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 3 zusammengestellt.
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Technische
Verwendbarkeit
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Durch
Durchführung
des Trockenätzens
eines zu ätzenden
Substrats unter Verwendung eines Trockenätzungsgases, enthaltend Octafluorcyclopenten,
während
ein Plasma mit einem Bereich hoher Dichte erzeugt wird, gemäß der vorliegenden
Erfindung kann das Trockenätzen
mit hoher Selektivität
gegenüber
einem Photoresist oder einem Polysilikonmaterial durchgeführt werden,
sowie mit einer hohen Ätzgeschwindigkeit, ohne
dass eine Bildung eines Polymerfilms durch Abscheidung erfolgt.