-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Trockenätzverfahren.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren für das
selektive Trockenätzen mehrschichtiger Strukturen.
-
In den jüngsten Jahren hat der Integrationsgrad integrierter
Halbleiterschaltungen Fortschritte gemacht, und die Abmessungen
der Schaltschemen sind feiner geworden. Die Dicke verschiedener
Dünnschichten, die beim Herstellungsprozeß für integrierte
Halbleiterschaltkreise benutzt werden, ist mit der Reduzierung der
Abmessungen bei den Schaltschemen herabgesetzt worden.
Beispielsweise kann die Dicke einer Gatter-Oxidschicht eines
integrierten MOS-Schaltkreises nur noch 10 nm (10 Å) betragen.
-
Das reaktive Ionen-Ätzverfahren ist allgemein als Verfahren zum
Ätzen von Materialien, wie beispielsweise polykristallinem
Silicium usw. bekannt. Der zu ätzende Gegenstand wird zwischen einem
Paar paralleler plattenelektroden angeordnet, die in einer
Vakuumkammer vorgesehen sind, und es wird ein reaktionsfähiges Gas
dort eingeleitet. Danach wird verursacht, daß das
reaktionsfähige Gas eine Entladung unterstützt, indem eine hochfrequente
Energie an die Elektroden angelegt wird. Das Ergebnis ist, daß
aus der Entladung in dem reaktionsfahigen Gas ein Gasplasma
erzeugt wird. Der Wafer wird durch das Gasplasma geätzt.
-
Zusätzlich zu dem reaktiven Tonenätzen sind Plasmaätzen, ECR-
Trockenätzen, Tonenstrahlätzen und Ätzen durch Fotoanregung
bekannte Ätzverfahren. Diese Ätzverfahren werden auch durch
chemisches oder physikalisches Einwirken mit Ionen des
aktivierten
reaktionsfähigen Gases durchgeführt. Reaktives Ionenätzen
wird grob in zwei Typen eingeteilt. Einer ist der
katodengekoppelte Typ, bei welchem der Gegenstand auf der Elektrode
angeordnet wird, welcher die hochfrequente Energie zugeführt wird. Das
andere Verfahren ist der anodengekoppelte Typ, bei welchem der
zu ätzende Gegenstand auf einer geerdeten Elektrode angeordnet
ist. Die Elektrode, welche den Gegenstand trägt, wird
üblicherweise mit Wasser gekühlt, um eine thermische Zersetzung des auf
der Oberfläche des Wafers gebildeten Fotoresists zu verhüten.
Der Wafer wird elektrostatisch oder mechanisch auf der Elektrode
gehalten, oder er kann lediglich auf die wassergekühlte
Elektrode plaziert werden.
-
Bei allen vorstehend erwähnten hochfrequenzgekoppelten Typen
gibt es eine durch Ionen unterstützte chemische Reaktion, um das
Ätzen auszuführen. Ionen, die in dem Plasma vorhanden sind,
bombardieren den Wafer, und die chemische Reaktion führt das Ätzen
auf natürliche Weise unter Nutzung eines aktiven Radikals des
reaktionsfähigen Gases aus. Die durch Ionen unterstützte
chemische Reaktion ist am geeignetsten für ein anisotropes Ätzen, und
die chemische Reaktion ist am geeignetsten für ein isotropes
Ätzen. Bei der durch Ionen unterstützten chemischen Reaktion ist
die Ätzrichtung zufriedenstellender und ist die Form der
Begrenzung des geätzten Teils gerader.
-
Wenn der Kontakt zwischen dem Wafer und dem wassergekühlten
Waferhalter stark ist, dann ist dies ausreichend, um die
Zerstörung des auf der Oberfläche des Wafers gebildeten Fotoresists
zu verhüten. Wenn die Haftung nicht stark genug ist, dann wird
der Wafer nicht ausreichend gekühlt, um die Zerstörung des
Fotoresists zu unterdrücken.
-
Jetzt werden Probleme beschrieben, die bei einer konventionellen
Ätzvorrichtung auftreten. Fig. 11 der beigefügten Zeichnungen
ist eine Schnittansicht einer
Parallelplatten-Trockenätzvorrichtung des katodengekoppelten Typs. Ein Paar parallele
Plattenelektroden, das aus einer Anode 2 und einer Katode 3 besteht,
befindet sich innerhalb einer Vakuumkammer 1. Die Anode 2 ist
geerdet, und der Katode 3 wird hochfrequente Energie von 13,56
MHz über einen passenden Schaltkasten 4 von einer Quelle 5
zugeführt. Die Katode wird mit Rohren 6 wassergekühlt, die als
Zuleitungs- und Rückleitungsrohre dienen. Ätzende Gase werden aus
einem Gasstromrohr 7 in die Vakuumkammer 7 eingeleitet und über
eine Abgasöffnung 8 abgeführt. Ein Substrat 9 ist auf der Katode
3 angeordnet.
-
Bei dieser konventionellen Ätzvorrichtung bildet die Katode
einen Bestandteil der Vakuumkammer. Das Kühlmittel auf
Umgebungstemperatur fließt durch die Katode. Jedoch wird Wasserdampf
flüssig, und es bildet sich eine Kondensation auf Oberflächen
der Katode 3 aus Basis der Temperaturdifferenz zwischen der
Innentemperatur der Vakuumkammer 1 und der Temperatur der Katode
3 aus. Das Ergebnis ist, daß Wasser innerhalb der Vorrichtung
vorhanden ist, und es können elektrische Kurzschlüsse,
beispielsweise an dem Schaltkasten 4, auftreten.
-
Ein Rundring aus Gummi wird benutzt, um die Katodenseite
vakuumdicht abzudichten. Dieser ist im allgemeinen wärmebeständig.
Jedoch kann der Gummi-Rundring mit dem Abfall der Temperatur bei
der Katode hart werden, und dann kann eine Leckage auftreten. Es
gibt ähnliche Probleme bei anderen konventionellen
Ätzvorrichtungen.
-
Probleme, die beim Ätzen von polykristallinem Silicium unter
Verwendung der konventionellen Vorrichtung auftreten, sollen
unter Bezugnahme auf Fig. 12 erklärt werden, welche die
Potentialverteilung in einer reaktiven Ionen-Ätzvorrichtung zeigt. Die
Bezugszahlen 3 und 2 von Fig. 12 bezeichnen die Katode
beziehungsweise die Anode der Trockenätzvorrichtung. Das höchste
elektrische Potential in dem Entladungsraum in der Vakuumkammer
ist das in Fig. 12 gezeigte Plasmapotential 10. Elektronen
werden auf allen Oberflächen gespeichert, die mit dem Plasma in
Berührung kommen, so daß der Elektronentransport im Vergleich zu
den Ionen sehr groß ist. Das Ergebnis ist, daß das elektrische
Potential niedriger als das Plasmapotential 10 wird.
-
Ein starker Abfall der Katodenspannung tritt in der Nähe der
Oberfläche von Katode 3 auf, um die Entladung
aufrechtzuerhalten, aber die Differenz des Potentials erreicht nur das
Plasmapotential 10 in der Nähe der Oberfläche von Anode 2. Deshalb hat
der katodengekoppelte Typ eine gute Ätzrichtung, um zu der durch
Ionen unterstützten chemischen Reaktion beizutragen. Der
anodengekoppelte Typ hat eine niedrige Ionen-Bombardierungsenergie.
Folglich ist die Ätzrichtung nicht so genau, wie beim
katodengekoppelten Typ. Das Ergebnis ist, daß die Gefahr besteht, daß ein
Hinterschneidungs- oder umgekehrt verjüngtes Merkmal an der
Grenze des geätzten Teils auftreten kann. Dementsprechend ist
der katodengekoppelte Typ vom Standpunkt der Arbeitseffektivität
her besser, und dieser Typ ist als zukünftiges, ein feines
Muster bildendes Verfahren der Größenordnung unter einem
Mikrometer besser geeignet.
-
Wenn der zu ätzende Gegenstand aus einer ersten Schicht mit
einer zweiten Schicht über der ersten besteht, dann ist die
Selektivität des Materials der zweiten Schicht gegenüber dem
Material der ersten Schicht zusätzlich zu der Bearbeitungsform
wichtig. Zum Beispiel ist bei einem Ätzprozeß des
Gattermaterials aus polykristallinem Silicium dann, wenn die Dicke der
Gatteroxidschicht 10 nm (100 Å) oder kleiner wird, eine sehr hohe
Selektivität erforderlich. Bei dem katodengekoppelten Typ wird
die Oberfläche unabhängig von dem Typ des Materials gelöst oder
aktiviert, weil die Energie des Ionen-Bombardements größer ist.
Das Ergebnis ist, daß die Selektivität des katodengekoppelten
Typs generell geringer als die des anodengekoppelten Typs ist.
-
Folglich ist bei dem anodengekoppelten Typ die Selektivität gut,
aber die Bearbeitungseffektivität nicht gut und ist bei dem
katodengekoppelten Typ die Bearbeitungseffektivität gut, aber
die Selektivität nicht gut. Wenn ein regulärer MOS-Transistor
mit Hilfe des Verfahrens des anodengekoppelten Typs hergestellt
wird, dann verursacht die Verarbeitungseffektivität eine
Streuung
bei der Kanallänge. Andererseits wird bei dem
katodengekoppelten Typ das Ätzen nicht an der Gatteroxidschicht gestoppt,
sondern geht weiter bis zu dem darunter liegenden
Siliciumsubstrat. Dies verursacht eine Verschlechterung der Ausbeute.
-
In den jüngsten Jahren ist ein ECR-
(Elektron-Zyklotron-Resonanz-) Entladungsverfahren entwickelt und bei dem Ätzen von
polykristallinem Silicium zur Anwendung gebracht worden. Es wird
eine Selektivität von 30 oder mehr erreicht, so daß die
Inoenenergie in starkem Maße vervielfacht wird. Jedoch ist die
Bearbeitungseffektivität niedriger als beim Katodentyp, so daß die
Ionenenergie gering ist, d.h. ähnlich wie bei der
Ionen-Ätzvorrichtung des anodengekoppelten Typs.
-
Der Leser findet weitere Hinweise über den Stand der Technik in
WO 86/03886, unter Bezugnahme auf welches Anspruch 1 dieses
Dokuments vorgekennzeichnet ist. Es wird für den Leser
offensichtlich, daß bei WO 86/03886 die Temperatur der Katode, die
den Wafer trägt, gesteuert wird. Jedoch ist die aktuelle
Wafertemperatur wegen des thermischen Widerstandes zwischen Katode
und Wafer um eine Größenordnung von 10K niedriger.
-
Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, für ein
Trockenätzverfahren zu sorgen, das in der Lage ist eine mehrschichtige
Struktur zu erzeugen, welche eine im wesentlichen vertikale Ätzwand
und eine hohe Selektivität hat.
-
Entsprechend der vorliegenden Erfindung umfaßt die vorliegende
Erfindung ein Verfahren, bei welchem ein Wafer, der eine erste
Schicht und eine über der ersten Schicht liegende zweite Schicht
aufweist, geätzt wird, wobei die erste Schicht Siliciumoxid und
die zweite Schicht polykristallines Silicium enthält, mit den
folgenden Schritten: Anordnen des Wafers in einer Vakuumkammer,
Abkühlen des Wafers und Einleiten eines reaktionsfähigen Gases
in die Kammer, um den Wafer zu ätzen, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wafer auf eine Temperatur zwischen 243 K und 263 K
während des Ätzens gekühlt wird, so daß sich eine dünne Schicht,
die zumindest ein Element der ersten Schicht enthält, selektiv
auf der ersten Schicht niederschlägt.
-
Damit die Erfindung leichter verstanden werden kann, wird sie
jetzt, nur in der Form eines Beispiels, unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei welchen:
-
Fig. 1 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem
reziproken Wert der Temperatur eines Substrats und der
Ätzgeschwindigkeit ist;
-
Fig. 2a bis 2c Schnittansichten geätzter Gegenstände bei
Verwendung der Erfindung (b) und des konventionellen Verfahrens (c)
sind;
-
Fig. 3, teilweise im Schnitt, eine Vorrichtung veranschaulicht,
die für das Verfahren der Erfindung geeignet ist;
-
Fig. 4 eine grafische Darstellung ist, die die Beziehung
zwischen dem reziproken Wert der Temperatur eines Substrats und der
Ätzgeschwindigkeit für die Erfindung beschreibt:
-
Fig. 5 und 6, teilweise im Schnitt, eine andere Vorrichtung
veranschaulicht, die für das Verfahren der Erfindung geeignet
ist;
-
Fig. 7a und 7b, teilweise im Schnitt, weitere Ausführungsformen
für die Erfindung zeigen;
-
Fig. 8 und 10, teilweise im Schnitt, eine weitere Vorrichtung,
die für das Verfahren der Erfindung geeignet ist,
veranschaulichen; und
-
Fig. 9a und 9b Schnittansichten von Gegenständen unter Anwendung
des konventionellen Verfahrens und des Verfahrens der Erfindung
sind.
-
Die Erfinder haben die Beziehung der Temperaturabhängigkeit der
Ätzgeschwindigkeit von polykristallinem Silicium und einer
Siliciumoxidschicht bei Verwendung reaktionsfähiger Gase, wie
beispielsweise Chlor usw. gefunden. Es hat sich herausgestellt, daß
die Ätzgeschwindigkeit sich linear entsprechend dem Kehrwert der
Temperatur bei polykristallinem Silicium usw. ändert. Jedoch hat
sich auch herausgestellt, daß es zwei Raten der
Temperaturabhängigkeit bei einer Siliciumoxidschicht gibt. Es ist nämlich die
Änderung bei höheren Temperaturen geringer als bei niedrigeren
Temperaturen. Mit anderen Worten, die Selektivität verbessert
sich bei niedrigeren Temperaturen beträchtlich. Weiterhin ist
bestätigt worden, daß andere Materialien ebenfalls eine hohe
Selektivität haben.
-
Wenn die Temperatur der Oberfläche des Substrats hoch ist, dann
führt das Ätzen von produkten, z.B. SiCl&sub4;, die durch Verdampfung
aus der Oberfläche des Gegenstandes desorbiert werden, zu einer
Reaktion zwischen den reaktionsfähigen Gasen und dem Gegenstand,
beispielsweise polykristallinem Silicium. Fortwährend wird die
Oberfläche des Gegenstandes aktiviert und zersetzt, und dann
schreitet die durch Ionen unterstützte chemische Reaktion fort.
Wenn jedoch der Gegenstand auf eine Temperatur unter 273 K (0ºC)
abgekühlt wird, dann werden Ätzprodukte, z.B. SiCl&sub4;, die einen
niedrigen Dampfdruck haben, nur schwer aus der Oberfläche des
Gegenstandes verdampft. Die Ätzprodukte bedecken nämlich die
Oberfläche des Gegenstandes und schützen die Oberfläche der
Siliciumoxidschicht vor der Bombardierung mit den Ionen. Deshalb
wird die Siliciumoxidschicht angeregt und zusammen mit
Ätzprodukten zersetzt. Folglich wird der Grad der Desorption der
Siliciumoxidschicht herabgesetzt.
-
Wenn die untere Schicht eines mehrschichtigen Gegenstandes
Siliciumoxid ist, dann wird Silicium durch Zersetzung von SiCl&sub4;
erzeugt und wird Sauerstoff durch Zersetzung von SiO&sub2; erzeugt.
Das erzeugte Silicium und der Sauerstoff bilden wieder SiO&sub2;.
Deshalb sinkt die Ätzgeschwindigkeit von SiO&sub2; in starkem Maße ab,
und die Ätzgeschwindigkeit verbessert sich.
-
Weiterhin hat die chemische Reaktion bei Verwendung aktiver
Arten (Radikalen), die keine Ladung haben, welche durch die
Zersetzung des reaktionsfähigen Gases erzeugt worden sind, eine
größere Temperaturabhängigkeit, als die durch Ionen unterstützte
chemische Reaktion. Das Hinterschneiden einer geätzten Wand wird
geringer, je kleiner die Substrattemperatur ist, infolgedessen
kann im wesentlichen ein flaches Ätzen eines Substrats
ausgeführt werden.
-
Die Beziehung zwischen dem Kehrwert der Substrattemperatur und
der Ätzgeschwindigkeit, wenn die zweite Schicht, die auf der
ersten Schicht gebildet ist, selektiv geätzt wird, wird unter
Bezugnahme auf Fig. 1 erklärt. Eine Siliciumoxidschicht (A) und
für den Vergleich eine Siliciumnitritschicht (B) werden als
erste Schicht benutzt, und mit Phosphor dotiertes
polykristallines Silicium (a) mit Molybdänsilicit (b) und Titansilicit (d)
werden für den Vergleich als zweite Schicht benutzt.
-
Die Trockenätzvorrichtung, die verwendet wird, um diese
Kennwerte zu messen, war grundsätzlich dieselbe, wie die in Fig. 11
gezeigte Vorrichtung, mit Ausnahme des Kühlmittels, welches bis
auf Temperaturen unter 273 K (0ºC) kühlen konnte. Chlor wurde in
die Vakuumkammer als reaktionsfähiges Gas eingeleitet, und der
Druck wurde auf 0,05 Torr (133,3 Pa) eingestellt. Die abgegebene
Leistung der hochfrequenten Energie betrug 200 Watt.
-
Bei Fig. 1 entspricht die Ordinate der Ätzgeschwindigkeit und
stellt die Abszisse den Kehrwert der Temperatur in K dar. Die
Ätzgeschwindigkeit der zweiten Schicht fällt linear mit Absinken
der Temperatur ab. Die Ätzgeschwindigkeit der ersten Schicht
fällt mit Absinken der Temperatur ab, doch wird ein Wendepunkt
offensichtlich in der Nähe von 273 K (0ºC) (3,6 x 10&supmin;³ K&supmin;¹). Die
Ätzgeschwindigkeit fällt unter der Temperatur des Wendepunktes
schneller ab. Das Ergebnis ist, daß sich die Selektivität
unterhalb des Wendepunktes erhöht.
-
Als Ergebnis dieser Erscheinung kompliziert das Absinken der
Substrattemperatur das Desorbieren von Ätzprodukten von der
Oberfläche des Substrats und reduziert den Dampfdruck. Folglich
wird die Oberflächenkonzentration hoch. Bei dieser
Ausführungsform ist das Ätzprodukt das durch die Reaktion zwischen Chlorgas
und polykristallinem Silicium gebildete SiCl&sub4;. Wenn die erste
Schicht Siliciumoxid ist, dann bildet das Ionen-Bombardement das
Siliciumoxid erneut. Dies deshalb, weil Sauerstoff mit
Ätzprodukten, Silicium eingeschlossen, reagiert. Siliciumoxid wird
nämlich, obwohl Siliciumoxid durch die Ätzreaktion von der
Oberfläche des Substrats desorbiert wird, wieder durch die
CVD-Reaktion unter Verwendung von Ätzprodukten der Gasphase
niedergeschlagen. Das Ergebnis ist, daß die Ätzgeschwindigkeit der
Siliciumoxidschicht bemerkenswert absinkt und die Selektivität
verbessert wird.
-
Im Fall der Vergleichs-Siliciumnitritschicht (B) zeigt sich eine
Tendenz ähnlich jener der Siliciumoxidschicht (A). Den besten
Selektivitätsmodus erhält man, wenn polykristallines Silicium
(a) selektiv auf Siliciumoxid (A) geätzt wurde, und bei dieser
Kombination war der am besten geeignete Kühltemperaturbereich
243 K (-30ºC) bis 263 K (-10ºC).
-
Der Wendepunkt bei der Beziehung des Kehrwertes der Temperatur
und der Ätzgeschwindigkeit ändert sich mit dem Druck. Wenn der
Druck niedrig ist, dann ist die Temperatur des Wendepunktes
ebenfalls niedrig. Die Neigung der Kennlinie kann positiv werden
(Linie A'), und die Neigung der negativen Kennlinie ändert sich
am Wendepunkt auf einen viel steileren Abfall.
-
Fig. 2a bis 2c zeigen Schnittansichten von Gegenständen, die
geätzt wurden, im Vergleich zwischen der Erfindung und dem
konventionellen Verfahren. Der Gegenstand besteht aus einem
P-Silicium-Substrat (die Kristallrichtung ist 100) 20, einer ersten
Schicht 21 aus SiO&sub2;, die durch einen CVD-Prozeß auf dem Substrat
20 gebildet wurde und einer zweiten Schicht 22 aus
polykristallinem Silicium, die auf der ersten Schicht 21 gebildet wurde.
Eine Fotoresistschicht 23, die eine Spion-Glasschicht 24 trägt,
ist auf der zweiten Schicht ausgebildet.
-
Wenn ein Ätzen stattfindet, dann wird die polykristalline
Siliciumschicht 22a geätzt, wobei die Seitenwand eben ist und kein
Hinterschneiden auftritt, wenn das Substrat auf 253 K (-20ºC)
gekühlt wird (in Fig. 2b gezeigt). Andererseits verursachte bei
Umgebungstemperatur das Ätzen, daß die Seitenwände
hinterschnitten wurden, wie in Fig. 2c gezeigt.
-
Im wesentlichen neigt das mit Phosphor dotierte polykristalline
Silicium dazu, daß ein Seitenätzen daraus entsteht, daß es
natürlich mit dem Chlorradikal reagiert. Jedoch kleben bei der
reaktiven Ionenätzung Zersetzungsprodukte an der Seitenwand des
polykristallinen Siliciums. Die Seitenwand wird vor dem Angriff
des Radikals geschützt. Das Seitenätzen wird verhütet, und ein
vertikales Ätzen wird ausgeführt. Deshalb wird dann, wenn ein
mehrschichtiges Fotoresist ohne direktes Freilegen des Plasmas
als Maske verwendet wird, eine Seitenwand-Schutzschicht nicht
gebildet. Das Ergebnis ist, daß das Seitenätzen bei normalen
Temperaturen auftritt. Jedoch ist die Temperaturabhängigkeit der
durch das Radikal bewirkten chemischen Reaktion größer, als die
Temperaturabhängigkeit der durch Ionen unterstützten chemischen
Reaktion. Darüberhinaus ist die Mobilität des Radikals auf der
Ätzfläche bei niedriger Temperatur gering. Folglich wird ein
Seitenätzen bei der polykristallinen Schicht bei 253 K (-20ºC)
verhütet.
-
Einen ähnlichen Effekt erhält man bei dem katodengekoppelten und
dem anodengekoppelten Typ einer Atzvorrichtung. Die Erfindung
hat nicht nur die Selektivität, sondern auch die
Arbeitseffektivität des anodengekoppelten Typs verbessert.
-
Fig. 3 zeigt eine Trockenätzvorrichtung, die für das Verfahren
der Erfindung geeignet ist. Fig. 3 ist grundsätzlich ähnlich
Fig. 11, wobei dieselben Teile durch gleiche Bezugszahlen
beschrieben werden. Diese Vorrichtung hat zwei zusätzliche
Merkmale. Erstens kühlt die Kühleinrichtung 5 bis auf einen Wert unter
der Temperatur des Wendepunktes. Dies erhöht die Neigung der
negativen Kennlinie bei der Reaktion. Desgleichen ist ein ein
magnetisches Feld erzeugendes Mittel 11 in einer Vakuumkammer 1
vorgesehen.
-
Das ein magnetisches Feld erzeugende Mittel 11 besteht aus einem
Magneten, der an einer Anode 2 vorgesehen ist, und der Magnet
ist exzentrisch drehbar. Elektronen führen eine Zykloidbewegung
in dem gekreuzten Bereich durch, in welchem sich das Magnetfeld,
das von dem Magneten zur Katode aufgebracht wird und das
elektrische Gleichstromfeld E vertikal kreuzen. Das Magnetronplasma
hoher Dichte bewegt sich in diesem Stadium dicht an der
Oberfläche des Substrats 8 bei exzentrischem Drehen des Magneten,
und es ist eine Ätzen des Substrats mit hoher Selektivität
möglich.
-
Fig. 4 zeigt eine Grafik, welche die Beziehung zwischen der
Ätzgeschwindigkeit und dem Kehrwert der Temperatur beschreibt,
wenn das Ätzen mit Chlorgas in der Vakuumkammer ausgeführt
wurde. Der Gasdruck beträgt 6,665 Pa (0,05 Torr), und die
Hochfreguenz hat 200 Watt. Die mit Phosphor dotierte polykristalline
Siliciumschicht als zweite Schicht ist auf der gesamten
Oberfläche des Substrats 8 ausgebildet, und die selektiv gerasterte
Schicht als erste Schicht ist auf der zweiten Schicht
ausgebildet. Fig. 4 beschreibt eine ähnliche Kennlinie der vorstehend
erwähnten Ausführungsform ohne das Magnetfeld, doch kann diese
Ausführungsform unter Verwendung eines Magnetfeldes eine höhere
Selektivität erreichen.
-
Bei dieser Ausführungsform war das Ätzgas Chlorgas. Jedoch sind
auch andere Halogengase nützlich.
-
Jetzt sollen weitere Ausführungsformen der Erfindung erklärt
werden. Der Ätzprozeß kann in zwei Schritte unterteilt werden.
Ein zu ätzender Gegenstand, der denselben Aufbau wie in Fig. 2
gezeigt hat, wird zuerst durch das normale reaktive Ionenätzen
geätzt. Die zweite Schicht wird als sehr dünne Schicht gebildet.
-
Deshalb wird der zu ätzende Gegenstand mit Kühlen geätzt. Das
Ätzen geht während des ersten Schritts schneller vor sich. Dies
ist nützlich, insbesondere dann, wenn die zweite Schicht sehr
viel dicker als die erste Schicht ist.
-
Fig. 5 zeigt einen weiteren Typ einer Ätzvorrichtung, die für
das Verfahren der Erfindung geeignet ist. Sie ist grundsätzlich
der in Fig. 11 gezeigten Vorrichtung ähnlich. Diese Vorrichtung
ist der katodengekoppelte Typ. Eine Katode 31, welche nicht
Bestandteil der Wand der Vakuumkammer ist, ist auf einer
Bodenplatte 33 an der Vakuumkammer angeordnet und durch einen
Isolator 34 getrennt . Die Bodenplatte 33 und der Flansch der
Vakuumkammer sind luftdicht mit Hilfe eines isolierenden elastischen
Rundrings 35 abgedichtet. Ein Rohr für das Kühlmittel geht durch
die Bodenplatte von der Außenseite der Vakuumkammer hindurch.
Dieser Teil (36) des Rohrs ist aus Gründen der Wäremeisolierung
aus einem keramischen Material hergestellt. Das Rohr ist
gegenüber der Bodenplatte 33 mit Hilfe eines Körpers aus Harz 37
luftdicht abgedichtet.
-
Ein Rohr 38 aus rostfreiem Stahl, das als Spirale angeordnet
ist, ist innerhalb der Katode eingebettet. Dieses Rohr und das
Keramikrohr 36 sind durch ein Verbindungsstück 39 miteinander
verbunden.
-
Das Kühlmittel fließt in dem Keramikrohr 36 und in dem
rostfreien Stahlrohr 38 durch das Temperatursteuermittel 32, welches in
der Lage ist, unter die Temperatur des Wendepunktes abzukühlen.
Als Kühlmittel kann flüssiger Stickstoff oder Fluorgas verwendet
werden. Das Kühlsystem kann die Katode bis auf ungefähr 243 K
(-30 ºC) kühlen. Deshalb kann diese Vorrichtung das Ätzen mit
hoher Selektivität ausführen.
-
Eine Kondensation wird durch den Isolator 34 verhütet, der
innerhalb der Bodenplatte vorgesehen ist, und deshalb wird die
Gefahr eines elektrischen Kurzschließens beseitigt. Ein
Hartwerden des Rundrings und eine anschließende Leckage wird durch die
Verwendung eines Rundrings aus Silikongummi verhütet.
-
Fig. 6 zeigt eine andere Vorrichtung, die für das Verfahren der
Erfindung geeignet ist, welche einen anderen Typ eines
Kondensationsverhütungsmittels hat. Ein Rohr 46 lenkt das Kühlmittel
in eine Katode 41. Die Unterseite der Katode 41 ist mit einer
dicken Schicht eines wärmeisolierenden Materials bedeckt. Das
Vakuumabdichten wird durch Verwendung eines Rundrings 45
ausgeführt. Eine Heizvorrichtung 44 ist in dem Isolator eingebettet,
um die Temperatur normal zu halten und ein Hartwerden des
Rundringes zu verhüten.
-
Fig. 7a zeigt eine Ansicht einer generell zylindrischen
PlasmaÄtzvorrichtung, die für das Verfahren der Erfindung geeignet
ist. Ein Ätzgas wird durch Rohre 52 in eine zylindrische
Vakuumkammer 17 eingeleitet und durch eine Abführung 53 abgegeben.
Eine (nicht gezeigte) Spule oder Elektrode kann hochfrequente
Energie liefern und umgibt die zylindrische Quarz-Vakuumkammer
51. Der Druck des Ätzgases wird auf einem Wert zwischen 13,3 Pa
bis 133,3 Pa (0,1 bis 1 Torr) gehalten. Die an das Ätzgas
gelieferte hochfrequente Energie wird kapazitiv oder induktiv unter
Verwendung der Spule oder Elektrode erzeugt. Folglich wird das
Plasma in der Kammer erzeugt und ein Wafer 54 geätzt.
-
Der zu ätzende Wafer 54 ist generell auf einem Quarzschiffchen
55 angeordnet und wird elektrisch schwebend gehalten. Das
Ergebnis ist, daß die Potentialdifferenz des Gegenstandes lediglich
die Differenz von Plasmapotential und Schwebepotential ist. Der
Beitrag der durch Ionen unterstützten chemischen Reaktion ist
gering. Deshalb ist die Arbeitsform des Gegenstandes isotrop.
-
Generell wird das Mischgas, das aus CF&sub4; und (ungefähr 10 %)
Sauerstoff besteht, eingeleitet und wird benutzt, um die
polykristalline Siliciumschicht zu ätzen. Bei der in Fig. 7a
gezeigten konventionellen Vorrichtung erhält man die hohe
Ätzgeschwindigkeit (z.B. ungefähr 20) zwischen der mit Phosphor dotierten
polykristallinen Siliciumschicht und der Siliciumoxidschicht,
aber die Selektivität zwischen einer Siliciumnitritschicht und
der Siliciumoxidschicht ist gering, z.B. ungefähr 5 bis 6. Die
Verbesserung der Selektivität ist erforderlich, um das
Siliciumnitrit bei einem LOCOS-Prozeß zu entfernen.
-
Fig. 7b zeigt eine verbesserte Vorrichtung, welche eine
verbesserte Kühlmöglichkeit hat, um einen Gegenstand 54 zu kühlen. Von
der in Fig. 7a gezeigten Vorrichtung verschiedene Teile sind die
nachstehenden. Eine gedruckte Schaltungskarte 57 wird auf einem
einen Gegenstand tragenden Halter 56 angeordnet, und der zu
ätzende Gegenstand 54 wird elektrostatisch festgespannt. Der den
Gegenstand tragende Halter 56 wird durch das durch ein Kühlrohr
58 gelieferte Kühlmittel gekühlt.
-
Bei dieser Vorrichtung wird der Gegenstand auf 253 K (-20ºC)
gekühlt, was niedriger als die Temperatur des Wendepunktes ist,
wo sich die Kennlinie der Siliciumoxidschicht in ähnlicher Form
ändert, wie in Fig. 5 gezeigt. Das Ergebnis ist, daß wenn
ungefähr 30 % Chlor dem Mischgas aus CF&sub4; und Sauerstoff zugesetzt
wird, die Selektivität zwischen der polykristallinen Schicht und
der Siliciumoxidschicht 30 wird und die Selektivität zwischen
der Siliciumnitritschicht und der Siliciumoxidschicht auf 12 bis
15 verbessert wird.
-
Fig. 8 zeigt eine ECR-Trockenätzvorichtung, welche aus einer
Entladungskammer 61, die aus Quarz hergestellt ist und aus einer
Ätzkammer 62 besteht, die von der Entladungskammer 61 getrennt
ist. Ein Magnet 63, welcher ein Magnetfeld von 875 Gauss
erzeugt, umgibt die Entladungskammer 61. Eine Mikrowellenstrahlung
wird der Entladungskammer 61 über einen Mikrowellenleiter 64 von
einer (nicht gezeigten) Mikrowellen-Energiequelle geliefert. Ein
Ätzgas wird durch die Rohre 65 und 66 eingeleitet und abgeführt.
-
Ein zu ätzender Gegenstand 67 wird auf einem Objekthalter 68
angeordnet, der in der Ätzkammer 62 vorgesehen ist. Der Objekt
halter hat eine Kühleinrichtung 69. Die Kühleinrichtung 69 ist
mit einer Temperatursteuereinrichtung verbunden.
-
Die durch die ECR-Entladung in der Entladungskammer erzeugten
Ionen werden entlang der Neigung eines Magnetfeldes gedrückt und
bombardieren den zu ätzenden Gegenstand ungefähr vertikal.
-
Die Vorrichtung wird so betrieben, daß das Ätzgas bei niedrigem
Druck, z.B. 0,1333 Pa (10&supmin;&sup4; Torr) geliefert wird. Das Ergebnis
ist, daß es wenig Radikale gibt. Diese ECR-Ätzvorrichtung ist
eine Art Ionendusch-Ätzvorrichtung. Ein Merkmal dieser
Vorrichtung ist, daß die Ionenenergie gering ist, weil das
Plasmapotential niedrig ist und der Gegenstand 67 elektrisch schwebt. Es
wird ein Gemisch aus FS&sub6; und Chlor verwendet. Diese Vorrichtung
kann eine Ätzgeschwindigkeit von ungefähr 40 unter den
Bedingungen erreichen, daß ein Gesamt-Gasvolumen von 15 cm³/s mit einem
Druck von 39 mPa (0,0003 Torr) bei einer Mikrowellenenergie von
200 Watt fließt.
-
Eine Siliciumoxidschicht 82 als erste Schicht wird auf dem
Substrat 81 gebildet, und eine mit Phosphor dotierte
polykristalline Siliciumschicht 83 wird als zweite Schicht auf der ersten
Schicht gebildet. Eine Fotoresistschicht 84, die als Maske
benutzt wird, wird selektiv auf den Teilen der zweiten Schicht
aufgetragen, die nicht geätzt werden sollen. Die zweite Schicht
83 des vorstehend erwähnten Substrats ist geringfügig seitlich
geätzt (in Fig. 9a gezeigt), um die überhängenden Form zu
erhalten.
-
Wenn das vorstehend erwähnte Substrat bei einer Temperatur von
253 K (-20ºC) durch Betätigen der Kühleinrichtung 69 geätzt
wurde, dann verbesserte sich die Selektivität auf mehr als 50,
und die Arbeitsform war sehr ausgezeichnet, ohne seitliches
Ätzen und den überhang (siehe Fig. 9b).
-
Eine Ionenstrahl-Ätzvorrichtung ist bekannt, die der vorstehend
erwähnten ECR-Ätzvorrichtung ähnelt, welche in einen Entladeteil
und einen Ätzteil unterteilt ist. Ein positives Ion wird aus
einem Plasma durch Liefern des negativen Potentials an ein
Gitter herausgeholt. Das positive Ion wird beschleunigt und
bombardiert den zu ätzenden Gegenstand. Die vorstehend erwähnte
Vorrichtung kann ähnliche Effekte ergeben, wenn ein
reaktionsfähiges Gas, das ein Chlorgas einschließt, verwendet und das
Substrat gekühlt wird.
-
Fig. 10 zeigt ein fotoelektrisch anregendes Ätzen, wobei ein
Objekthalter 82, der in der Lage ist, den Gegenstand zu kühlen, in
einer Vakuumkammer 81 vorgesehen ist, die ein Quarzfenster hat,
durch welches ultraviolette Strahlen eingeleitet werden. Ein
Ätzgas wird in die Ätzkammer über eine gaseinleitende Düse 83
eingeleitet und emittiert ultraviolette Strahlen von einer
Quelle für ultraviolette Strahlen 84, wie beispielsweise einen
Eximer-Laser, auf einen Gegenstand 86. Das Gas wird aus einer
Ableitung 87 abgeführt. Bei dieser Vorrichtung werden ein Chlorgas
und ein Fluorgas in die Vakuumkammer eingeleitet, und der Druck
beträgt mehrere Kilo Pascal (Zehnerwerte Torr). Diese Gase
empfangen die ultravioletten Strahlen und spalten Chlor ab. Das
Ätzen des polykristallinen Materials wird unter Verwendung von
Chlorradikalen ausgeführt.
-
Beim Ätzen bei normaler Temperatur reagiert mit Phosphor
dotiertes polykristallines Silicium natürlich mit Chlorradikalen. Das
Ergebnis ist, daß ein seitliches Ätzen verursacht und ein
geradkantiges Ätzen schwierig ist. Bei der vorstehend beschriebenen
Vorrichtung mit niedriger Temperatur wird das Ätzen an einem
Gegenstand ausgeführt, der durch die Kühleinrichtung auf 253 K
(-20ºC) gekühlt ist. Das seitliche Ätzen wird folglich verhütet,
und es wird ein geradkantiges Ätzen erreicht. Es wird
berücksichtigt, daß die Ätzgeschwindigkeit der Radikalen als Reaktion
auf das Kühlen absinkt, aber Teile, die mit ultravioletten
Strahlen bestrahlt werden, steigen in der Temperatur an, und die
Reaktion wird infolgedessen durch Licht beschleunigt.
-
Bei der Vorrichtung von Fig. 10 wurde ein Eximer-Laser (XeCl-
Strahlen, XeCl&sub4; ist 303 nm) als Quelle für ultraviolettes Licht
verwendet, aber es kann auch eine Lichtquelle, die eine
Wellenlänge hat, die in der Lage ist, das Chlorgas zu trennen, z.B.
eine Niederdruck-Quecksilberlampe oder eine
Quecksilber-Xenonlampe verwendet werden. Weiterhin ist ein Kühlen des Substrats
auch bei anderen lichtelektrisch angeregten Ätzverfahren unter
Verwendung eines Vakuums mit violetten Strahlen verkürzter
Wellenlänge oder mit SOR- (Synchrotron-Orbital-Resonanz-) Strahlen
nützlich.