DE3627311A1 - Verfahren zum aetzen von silizium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet des Plasmaätzens von Sili­ zium, insbesondere bei der Herstellung von Halbleiter-Bau­ teilen.

Bei der Herstellung von Halbleiter-Bauteilen mittels mono­ kristalliner Silizium-Substrate ist es häufig gewünscht, bestimmte Flächen des Silizium-Substrates anzuätzen, insbeson­ dere zum Herstellen von Chips für integrierte Schaltungen von hoher Packungsdichte. Dies wurde nach dem bisherigen Stand der Technik mittels des Plasmaätzens erreicht. Beim Plasmaätzprozeß wird das Silizium zunächst mit einer Schicht eines Photoresists beschichtet. In dem Photoresist werden Öffnungen hergestellt, um ausgewählte Flächen des darunter­ liegenden Siliziums freizulegen. Das Silizium wird dann in eine Ätzkammer gestellt. Die Kammer, deren Klima gesteuert ist, weist Mittel zum Einspeisen von Gas in die Kammer und Elektroden zum Herstellen eines Plasmas des Gases auf. Ty­ pischerweise werden chlorierte Gase, wie z. B. C 12, CC 14, usw. verwendet, um das Plasma zum Anätzen des Siliziums zu erzeugen. Das Gas wird in die Kammer eingespeist und HF-Ener­ gie wird angewendet, um das Plasma zu erzeugen. Das Ätzen wird durchgeführt, bis die HF-Energie abgeschaltet ist, wobei das timing des Prozesses, der Druck, die HF-Energie und die Strömungsrate die Ätztiefe steuern.

Das Ätzen von Silizium mit den bekannten Methoden hat ver­ schiedene Nachteile. Erstens sind die verwendeten chlorier­ ten Gase für Menschenleben höchst lebensgefährlich. Z. B. ist Tetrachlorkohlenstoff, CC 14, für den Menschen toxisch und hat eine erlaubte Expositionsstärke von nur 10 ppm. Bei Werten oberhalb 300 ppm besteht eine unmittelbare Gefährdung des Menschenlebens. Außerdem wird vermutet, daß CC 14 ein Karzinogen ist. Chlorgas (C 12) ist selbst toxisch und korro­ siv und mit einer erlaubten Expositionsgrenze von nur 1 ppm belegt, gemäß Definition der Occupational Safety and Health Administration (OSHA). Unmittelbare Lebensgefahr beginnt bei 25 ppm. Als Ergebnis müssen aufwendige Vorkehrungen getroffen werden, um Leckagen des Gases, die Menschenleben gefährden könnten, zu vermeiden. Diese Vorkehrungen kommen zu den Aufwendungen für den Ätzprozeß hinzu.

Zweitens sind die Chlorgase hoch korrosiv, was zu einer kürze­ ren Lebenszeit der dem Gas ausgesetzten Komponenten führt.

Drittens zerstört das Chlorgas während des Anätzprozesses des Siliziums die Oberfläche des Siliziums, die es rauh hin­ terläßt. Als Ergebnis wird die Ausbildung von Oxydschichten nachteilig beeinflußt. Dies führt zu unzuverlässigen Cha­ rakteristika des Bauteils. Diese Beschädigung kann geheilt werden, aber nur mit einem zusätzlichen thermischen Schritt.

Schließlich kann das Chlorgas das Siliziumisotrop ätzen und die Photoresistschicht unterschneiden, was größere Fen­ sterbemessung erfordert, um akzeptable Bauteile zu erhal­ ten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ätzver­ fahren für Silizium bereitzustellen, das keine lebensgefähr­ lichen Materialien erfordert. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht im Bereitstellen eines Siliziumätzverfahrens, das keine korrosiven Materialien verwendet. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Silizium­ ätzverfahrens, welches die Oberfläche des Siliziums nicht zerstört. Schließlich ist es ein Ziel der Erfindung, ein anisotropes Siliziumätzverfahren bereitzustellen, um das Unterschneiden der Photoresistschicht auszuschließen.

Erfindungsgemäß wird ein fluoriertes Gasgemisch verwendet, um das Plasma zum Siliziumätzen zu erzeugen. Das Gasgemisch ist aus CHF 3 und SF 6 zusammengesetzt und ist für Menschen nicht toxisch und nicht korrosiv. Wenn ein Gemisch aus 80% CHF 3 und 20% SF 6 verwendet wird, um das Plasma auszubilden, re­ sultiert eine im wesentlichen anisotrope Ätzung des Siliziums, wobei ein Unterschneiden der Photoresistschicht ausgeschlos­ sen ist. Das fluorierte Gasgemisch zieht die Oberfläche des Siliziums nicht in Mitleidenschaft, so daß nachfolgende Oxidationsschritte von der Ätzung nicht beeinflußt sind. Ein thermischer Schritt zum Ausheilen der Beschädigung der geätzten Fläche ist nicht erforderlich.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beschrie­ ben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch mittels bekannter Verfahren geätztes Silizium;

Fig. 2 einen Siliziumkörper mit einer darauf ge­ bildeten Schicht eines Photoresists (Pho­ tolacks);

Fig. 3 den Körper gemäß Fig. 2, nachdem in dem Photoresist Öffnungen gebildet worden sind;

Fig. 4 den Körper von Fig. 3 nach dem Ätzen;

Fig. 5 eine grafische Darstellung, die den Aniso­ tropiegrad, aufgetragen gegen die Konzen­ tration von CHF 3, zeigt;

Fig. 6 die Wirkung von Polymer-Vorprodukten.

Es wird eine verbesserte Methode zum Plasmaätzen von Silizium beschrieben. Fluorierte Gase werden verwendet, um anisotropes Ätzen zu ermöglichen. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezielle Details beschrieben, wie z. B. Gaszusammen­ setzungen, HF-Leistungen usw., um ein intensiveres Verständ­ nis der Erfindung zu ermöglichen. Für den Fachmann dieses Sachgebietes ist es jedoch klar, daß die Erfindung auch ohne diese spezifischen Details ausführbar ist. In anderen Fällen sind wohlbekannte Prozesse nicht im Detail beschrieben worden, um den Erfindungsgegenstand nicht unnötig zu verdun­ keln.

Beim Plasmaätzen wird ein Siliziumscheibchen in eine Ätzkammer gelegt. Ein solcher Kammertyp ist ein Parallel-Platten-Reak­ tor. In einem solchen Reaktor sind obere und untere flache Elektroden horizontal und parallel zueinander angeordnet. Die obere Elektrode ist gewöhnlich die "Leistungs"-Elektrode und ist mit einem HF-Generator gekoppelt. Gase treten durch eine obere "Duschkopf"-Typ-Elektrode ein, die mit einem HF-Generator gekoppelt ist. Siliziumscheibchen werden auf der unteren Elektrode in der Kammer angeordnet, Gase treten in die Kammer ein und HF-Energie wird verwendet, um Plasma zum Durchführen des Ätzens zu erzeugen.

Beim Siliziumätzen werden Photoresist-Masken verwendet, um ein Ätzmuster zu definieren. Jedoch resultiert bei isotro­ pem Ätzen ein Unterschneiden der Photoresistschicht (gemäß Stand der Technik). Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 1 dargestellt. Ein Ätzmuster ist in der Siliziumschicht 10 gebildet worden, das durch die Photoresist-Maske 11 definiert ist. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, erstrecken sich die Seitenwände der geätzten Fläche unter die Photoresistschicht und führen zu einem Überhang 12. Aufgrund dieses Phänomens muß das ge­ wünschte Fenster für Ätzmuster, die mit dieser Methode herge­ stellt werden, größer sein, um die gewünschte Ätzung zu er­ möglichen. Dies begrenzt den Dichtegrad, der beim Schaltungs­ design erreichbar ist. Der gegenwärtige Stand der Technik er­ laubt es, Muster in Photoresistschichten von einem Mikron herzustellen. Wegen des isotropen Ätzens ist die minimale Breite der Ätzöffnung derzeit auf 1,5 bis 2 Mikron begrenzt.

Ein Versuch zum Reduzieren der Isotropie von Plasmaätzungen ist in "Plasma Etching Using SF 6 and Chlorine Gases", M. Mieth and A. Braker, Semiconductor International, Mai 1884, Seiten 222-227, beschrieben. Dort wurde gefunden, daß SF 6 kombi­ niert mit CHCL 3 und SF 6 kombiniert mit reinem Chlorgas ein teilweise anisotropes Ätzen ermöglichen. Jedoch weist die­ ses Verfahren das Problem der Toxizität, des korrosiven Effektes auf die Anlagenteile, der Notwendigkeit aufwendiger Chlorgasdetektoren im Prozeßbereich und die Notwendigkeit rostfreier Stahlrohre und -leitungen für den Gastransport auf.

Außerdem beschädigen chlorierte Gase beim Plasmaätzen die Oberfläche des geätzten Siliziums, wie im Bereich 13 von Fig. 1. Siehe z. B.: "Reactive Ion Etching of Silicon" Schwartz and Schaible, Journal of Vacuum Science and Technology, März/April 1978, Seiten 410 bis 413, und "Study of Breakdown Fields of Oxides Grown or Reactive Ion Etched Silicon Surface: Improvement of Breakdown Limits by Oxidation of the Surface" Lifshitz, Journal of the Electrochemical Society: Solid State Science and Technology, Juli, 1983, Seiten 1549-50.

Nach dem Ätzen enthält die Siliziumoberfläche Poren und Na­ deln und ernsthafte Mikrorauhheit. Nachfolgend gewachsene Oxydschichten leiden unter großen Feld-Fehler-Raten. Eine Lösung dieses Problems ist das Wachstum verschiedener ther­ misch gewachsener "Opfer"-Oxydschichten, die danach ent­ fernt werden. Dieses Verfahren beinhaltet zusätzliche ther­ mische Schritte, die durch die Anwendung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens vermieden werden können.

Bevorzugte Ausführungsform

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Kombination von SF 6 und CHF 3 zur Durchführung des Plasmaätzens von Silizium verwendet. Fluorgase sind nicht toxisch und nicht korrosiv und eliminieren die Notwendigkeit von Gasde­ tektoren in der Prozeßzone. Darüber hinaus könnten Kupfer­ oder Kunststoffleitungen gewünschtenfalls verwendet werden, um das Gas zu transportieren. Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Fig. 2 bis 4 dargestellt. In Fig. 2 ist eine Schicht eines Photoresists 21 auf einem Siliziumkörper 20 angeordnet. Anschließend wird, wie in Fig. 3 gezeigt, eine Öffnung 23 in der Photoresistschicht unter Anwendung wohlbe­ kannter photolithographischer Verfahren definiert. Die CHF 3­ und SF 6-Kombination (Gemisch) wird in die Ätzkammer eingelei­ tet und HF-Energie wird angewendet, um ein Plasma zu erzeu­ gen. Der Druck der Kammer sowie die Strömungsrate des Gases werden gesteuert, und das Silizium wird bis auf die gewünschte Tiefe geätzt. Wie in Fig. 4 dargestellt, hat ein anisotropes Ätzen des Siliziumkörpers stattgefunden. Wie an der Fläche 22 gezeigt, ist die Seitenwand der Atzöffnung mit der Pho­ toresist-Maske 21 eben. Als Ergebnis ist die Design-Dichte ausschließlich durch die Design-Grenzen der Photoresist- Maske begrenzt.

Die anisotrope Wirkung bei der Erfindung wird auf die Bil­ dung eines Polymers auf den Seitenwänden der geätzten Öff­ nungen während des Ätz-Schrittes zurückgeführt. Das CHF 3 wird im Plasma in CF 2, CF 3 und CHF gespalten, die als Poly­ mer-Vorprodukte agieren, um eine polymere Schicht auf den Seitenwänden der Ätzöffnung zu bilden. Dieser Prozeß ist in Fig. 6 in genauerem Detail dargestellt. Fluor wird durch die von den Polymer-Vorprodukten gebildete Polymer-Schicht 25 daran gehindert, in die Seitenwände adsorbiert zu werden. Als Ergebnis wird die Ätzung anisotrop und erstreckt sich in das Silizium in Flucht mit dem Masken-Muster. Die Polymer- Schicht 25 bildet sich aufgrund des Ionen-Bombardements, das dem Fluor die Adsorption auf dem Silizium erlaubt, auf dem Boden der Ätz-Öffnung nicht aus. Die Ätzung findet als Er­ gebnis dieser Adsorption des Fluors auf der Siliziumschicht statt.

Zusätzlich zu den gesundheitlichen und sicherheitlichen Vor­ teilen, die durch die Anwendung der Erfindung erreicht wer­ den, hat das Verfahren den weiteren Vorteil, die Oberfläche der geätzten Schicht des Siliziums nicht zu schädigen. In­ folgedessen werden nachfolgende thermische Oxidationsschritte und entsprechende Oxyd-Entfernungs-Schritte durch Anwendung der Erfindung eliminiert.

Gemäß der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform enthält ein Gasgemisch etwa 80% CHF 3 und etwa 20% SF 6. Die Flußrate des Gases beträgt etwa 125 sccm. Die Plasmaätzung findet bei einer HF-Leistung von etwa 600 Watt und einem Druck von 500 milliTorr mit einem Elektrodenabstand von 1 cm und einer Elektrodentemperatur von 15 bis 17°C statt. Obwohl beim bevorzugten Ausführungsbeispiel die Verwendung eines Parallel-Platten-Plasma-Ätzers in Betracht gezogen wird, kann die erfindungsgemäße Plasmachemie in anderen Typen von Plasma­ Ätzern angewendet werden, um anisotrope Silizium-Ätz-Profile zu erhalten.

Darüber hinaus kann der Grad der Anisotropie durch Reduzierung des Prozentanteils an CHF 3 in dem CHF 3/SF 6-Gemisch gesteuert werden. Fig. 5 zeigt eine Kurvendarstellung, die den Grad der Anisotropie gegen die Konzentration von CHF 3 für ausge­ wählte HF-Energien zeigt. Der Grad der Anisotropie wird aus­ gedrückt als Unterschnitt des Photoresists, dividiert durch die Tiefe der Ätzung. Kurve 28 zeigt die Beziehung bei einer HF-Energie von 300 Watt von einer Konzentration von 52% bis 68% CHF. Der Bereich der Anisotropie variiert von etwa 0,34 bis 0,2. Kurve 29 zeigt dieselbe Beziehung bei einer HF-Leistung von 600 Watt und einer Konzentration von CHF 3 von 68 bis 80%. Bei 68% ist die Anisotropie geringer als 0,1 und bei höheren Konzentrationen geht sie gegen 0. Konzentrationen oberhalb 80% CHF 3 sind nicht effizient, da die Ätzrate spürbar ver­ langsamt wird. Etwas SF 6 muß anwesend sein, um die Ätzung abwärts zu richten. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden 80% CHF 3 verwendet.

Mithin ist ein Verfahren zum Siliziumätzen unter Verwendung fluorierter Gasgemische beschrieben worden. Der verwendete Prozeß ist nicht toxisch und nicht korrosiv und führt zu anisotropen Ätzungen von Silizium ohne Beschädigung der ge­ ätzten Siliziumoberfläche.

Claims (8)

1. Verfahren zum Ätzen von Silizium mit einem aus einem Gasgemisch gebildeten Plasma, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma gebildet wird aus einer ersten Menge CHF 3 in Kombination mit einer zweiten Menge von SF 6 und daß die erste Menge größer als die zweite Menge ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Menge etwa 4mal so groß wie die zweite Menge ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma bei einer HF-Energie von etwa 600 Watt gebil­ det wird.

4. Verfahren zum Plasmaätzen von Silizium, dadurch gekenn­ zeichnet, daß
eine Schicht eines Photoresists auf der Oberfläche des Siliziums gebildet wird,
Öffnungen in dem Photoresist definiert werden, um vorbe­ stimmte Flächen der Oberfläche des Siliziums freizulegen,
ein Gemisch von SF 6- und CHF 3-Gas auf das Silizium gelei­ tet wird,
elektrische Energie an das Gasgemisch zur Erzeugung eines Plasmas angelegt wird,
die Ätzung des Siliziums mit dem Plasma bis zu einer ge­ wünschten Tiefe durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch etwa 80% CHF 3 und etwa 20% SF 6 enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energie etwa 600 Watt beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gasgemisch dem Silizium mit einer Rate von etwa 125 sccm zugeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Grad der Anisotropie in Abhängigkeit von dem Prozentsatz an CHF 3 in dem Gasgemisch bestimmt ist.