DE10130916B4 - Process for anisotropic structuring of materials - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum anisotropen Strukturieren von Materialien der Mikro- und Optoelektronik sowie der Mikromechanik wie ein mit einer Photolackmaske versehener GaAs-Wafer durch Ätz- und Passivierungsvorgänge in einem Reaktionsraum eines Plasmaätz-Reaktors, wobei die Prozessschritte zyklisch bis zur Erreichung der Zieltiefe der Struktur wiederholt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der mit einer Fotolack-Maske versehene GaAs-Wafer in dem Plasmaätzreaktor in einem Gemisch von BCl3/Cl2 im Verhältnis 1:3 bei einem Druck von 10 Pa und einem Gasfluß von 20 sccm während einer Dauer von 30 Sekunden geätzt wird und danach die Passivierung mit sauerstoffhaltigen Gasen bzw. sauerstoffhaltigen Gasplasmen wie in einem Sauerstoffplasma bei einem Druck von 10 Pa, einem Durchfluß von 10 sccm und einer eingekoppelten HF-Leistung von 75 W während einer Dauer von 10 Sekunden erfolgt und dass anschließend die zu ätzende Fläche in einem BCl3/Ar-Plasma im Verhältnis 1:2 bei einem Druck von 0,5 Pa, einem Gasfluß von 15 sccm und einer HF-Leistung von 100...Process for anisotropic structuring of materials in microelectronics, optoelectronics and micromechanics such as a GaAs wafer provided with a photoresist mask by etching and passivation processes in a reaction space of a plasma etching reactor, the process steps being repeated cyclically until the target depth of the structure is reached, characterized in that the GaAs wafer provided with a photoresist mask is etched in the plasma etching reactor in a mixture of BCl 3 / Cl 2 in a ratio of 1: 3 at a pressure of 10 Pa and a gas flow of 20 sccm for a period of 30 seconds and then the passivation with oxygen-containing gases or oxygen-containing gas plasmas, such as in an oxygen plasma at a pressure of 10 Pa, a flow rate of 10 sccm and a coupled RF power of 75 W, takes place over a period of 10 seconds and then the etching Area in a BCl 3 / Ar plasma in the ratio 1: 2 at a pressure of 0, 5 Pa, a gas flow of 15 sccm and an RF power of 100 ...

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum anisotropen plasmachemischen Strukturieren von mit einer Maske versehenen Materialien, die vorzugsweise in der Mikro- und Optoelektronik sowie der Mikromechanik verwendet werden, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for anisotropic plasma chemical structuring with a mask provided materials, preferably in micro and optoelectronics and the micromechanics are used, according to the preamble of the claim 1.

Es ist bekannt, in den Materialien, die in der Mikro- und Optoelektronik sowie der Mikromechanik verwendet werden, mit Hilfe von Maskierungstechniken funktionsbedingte Strukturen durch anisotrope Ätzungen zu erzeugen. Der anisotrope Strukturierungsprozess besteht dabei aus einer Folge von Passivierungs- und Ätzvorgängen, die alternierend bis zum Erreichen der gewünschten Strukturtiefe durchgeführt werden.It is known in the materials used in micro and optoelectronics as well as micromechanics structures with the help of masking techniques through anisotropic etching to create. The anisotropic structuring process exists from a sequence of passivation and etching processes, which alternate to Reaching the desired one Structure depth carried out become.

Dabei hat sich im wesentlichen ein Verfahren durchgesetzt, welches in den DE 42 41 045 C1 , DE 43 17 623 A1 , DE 44 20 962 A 1, DE 44 42 023 A1 , DE 196 41 288 A1 , DE 197 06 682 A1 , DE 197 30 644 C1 , DE 197 36 370 A1 , DE 198 26 382 A1 , DE 199 19 469 A1 und in der Druckschrift IBM TDB Vol. 34, No. 5, Oct. 91, pp. 368–70 beschrieben ist.Essentially, a process has become established which is carried out in the DE 42 41 045 C1 . DE 43 17 623 A1 . DE 44 20 962 A 1, DE 44 42 023 A1 . DE 196 41 288 A1 . DE 197 06 682 A1 . DE 197 30 644 C1 . DE 197 36 370 A1 . DE 198 26 382 A1 . DE 199 19 469 A1 and in the publication IBM TDB Vol. 34, No. 5, Oct. 91, pp. 368-70.

Zur Strukturübertragung ist es notwendig, dass die Ätzung nur in den Maskenöffnungen erfolgt und keine seitliche Unterätzung stattfindet.For structure transfer it is necessary that the etching only in the mask openings and there is no lateral undercut.

Um seitliche Unterätzungen zu vermeiden, sind verschiedene Verfahren bekannt geworden, die zum Beispiel in den Druckschriften DE 42 41 045 C1 , DE 42 41 453 A1 , DE 44 22 913 A1 , DE 197 06 682 A1 , DE 196 41 288 A1 , T. Saitoh et al, Jpn. J.. Appl. Phys. 36 (1997) 7650–7654; A. A. Ayon et. Al., J. Electrochem. Soc. 146 (1999) 339–349) beschrieben wurden.In order to avoid side undercuts, various methods have become known, for example in the publications DE 42 41 045 C1 . DE 42 41 453 A1 . DE 44 22 913 A1 . DE 197 06 682 A1 . DE 196 41 288 A1 , T. Saitoh et al, Jpn. J .. Appl. Phys. 36 (1997) 7650-7654; AA Ayon et. Al., J. Electrochem. Soc. 146 (1999) 339-349).

Es sind im wesentlichen die folgenden Verfahrensweisen angewendet:

  • – Eine Passivierung der Seitenwände erfolgt durch Reaktionsprodukte des Ätzvorganges.
  • – Durch geeignete Prozessführung wird ein bevorzugter Ätzangriff durch die senkrecht auf die Substratoberfläche auftreffenden Ionen erreicht.
  • – Die Seitenwand wird in einem separaten Prozessschritt passiviert.
The following procedures are essentially used:
  • - The sidewalls are passivated by reaction products of the etching process.
  • A suitable etching attack is achieved by suitable process control due to the ions hitting the substrate surface perpendicularly.
  • - The side wall is passivated in a separate process step.

Die Materialpalette der zur Passivierung verwendbaren Stoffe ist vielgestaltig und ist besonders in den Patentschriften DE 196 41 288 C1 und DE 42 41 045 C1 beschrieben.The range of materials used for the passivation materials is varied and is particularly evident in the patent specifications DE 196 41 288 C1 and DE 42 41 045 C1 described.

Danach werden zur Passivierung die folgenden Materialien verwendet: CCl4, CHCl3, CXHYClZ, BCl3, SiCl4, CF3H, SiF4, SiH4 und Mischungen von Halogenkohlenwasserstoffen mit SiF4/SiCl4, SiH4, Si2H6, Hexamethyldisiloxan, Hexamethyldisilazan, Metallokohlenwasserstoffe, Fluorkohlenwasserstoffe, Kohlerwasserstoffe, Kohlenwasserstoffe mit Aromatengehalt, Perfluorierte Aromaten, Perfluorierte Styrolderivate, Fluorätherverbindungen und Stickstoff.The following materials are then used for passivation: CCl 4 , CHCl 3 , C X H Y Cl Z , BCl 3 , SiCl 4 , CF 3 H, SiF 4 , SiH 4 and mixtures of halogenated hydrocarbons with SiF 4 / SiCl 4 , SiH 4 , Si 2 H 6 , hexamethyldisiloxane, hexamethyldisilazane, metallohydrocarbons, fluorohydrocarbons, hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, perfluorinated aromatics, perfluorinated styrene derivatives, fluoroether compounds and nitrogen.

Die passivierende Eigenschaft von Sauerstoff ist in Verbindung mit den CH4/H2- und BCl3/Cl2-Ätzprozessen bekannt geworden (K. H. Baek et. al. Jpn. J. Appl. Phys. 38 (1999) 5829–5834).The passivating property of oxygen has become known in connection with the CH 4 / H 2 and BCl 3 / Cl 2 etching processes (KH Baek et. Al. Jpn. J. Appl. Phys. 38 (1999) 5829-5834).

Aus der Druckschrift IEEE Int. Conf. on Plasma Science, Conf. Record-Abstracts, Conf. Wl, USA, 5–8 June 1995, Abstract 4B01. p.179, ist das Ätzen von GaAs mit einem BCl3/Cl2-Gemisch bekannt, die Mitverwendung von Sauerstoff beim Ätzen ist in der Druckschrift US 4 285 763 offenbart.From the publication IEEE Int. Conf. on Plasma Science, Conf. Record abstracts, Conf. Wl, USA, 5-8 June 1995, Abstract 4B01. p.179, the etching of GaAs with a BCl 3 / Cl 2 mixture is known, the use of oxygen in the etching is in the publication US 4,285,763 disclosed.

Die Verwendung eines Sauerstoffplasmas in Verbindung mit dem Ätzen von GaAs ist aus JP 5-109670 A (Abstract) bekannt.The use of an oxygen plasma in connection with the etching of GaAs is over JP 5-109670 A (Abstract) known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Nachteile vermieden werden, die mit der Anwendung der in dem Passivierungsschritt nach dem Stand der Technik verwendeten Gase bzw. Gasgemische verbunden sind, und mit dem ein problemlos handhabbares und gut passivierendes Gas bzw. Gasgemisch anwendbar wird.The invention is based on the object To develop procedures to avoid the disadvantages with the application of the in the passivation step according to the state the gases or gas mixtures used in technology are connected, and with which a gas that is easy to handle and passivates or Gas mixture becomes applicable.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the Features of claim 1 solved.

Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der mit einer Fotolack-Maske versehene GaAs-Wafer in dem Plasmaätzreaktor in einem Gemisch von BCl3/Cl2 im Verhältnis 1:3 bei einem Druck von 10 Pa und einem Gasfluß von 20 sccm während einer Dauer von 30 Sekunden geätzt wird und danach die Passivierung mit sauerstoffhaltigen Gasen bzw. sauerstoffhaltigen Gasplasmen wie in einem Sauerstoffplasma bei einem Druck von 10 Pa, einem Durchfluß von 10 sccm und einer eingekoppelten HF-Leistung von 75 W während einer Dauer von 10 Sekunden erfolgt und dass anschließend die zu ätzende Fläche in einem BCl3/Ar-Plasma im Verhältnis 1:2 bei einem Druck von 0,5 Pa, einem Gasfluß von 15 sccm und einer HF-Leistung von 100 W während einer Dauer von 30 Sekunden von Oxid befreit wird.The method according to the invention is characterized in that the GaAs wafer provided with a photoresist mask in the plasma etching reactor in a mixture of BCl 3 / Cl 2 in a ratio of 1: 3 at a pressure of 10 Pa and a gas flow of 20 sccm during a duration of 30 seconds is etched and then the passivation with oxygen-containing gases or oxygen-containing gas plasmas is carried out as in an oxygen plasma at a pressure of 10 Pa, a flow rate of 10 sccm and a coupled RF power of 75 W for a period of 10 seconds and that subsequently the area to be etched in a BCl 3 / Ar plasma in a ratio of 1: 2 at a pressure of 0.5 Pa, a gas flow of 15 sccm and an RF power of 100 W for a period of 30 seconds of oxide is released.

Gegenüber den bisherigen Verfahren wird durch die Verwendung eines Sauerstoffplasmas bzw. eines sauerstoffhaltigen Plasmas beim Passivierungsvorgang der Seitenwände eine unnötige und in der Regel schädliche Bedeckung der Reaktorkomponenten vermieden.Compared to the previous procedures is achieved by using an oxygen plasma or an oxygen-containing one Plasmas in the passivation process of the side walls an unnecessary and usually harmful Coverage of the reactor components avoided.

Nach dem Stand der Technik erforderliche Reinigungszyklen zur Beseitigung der Polymere entfallen.Cleaning cycles required according to the state of the art to eliminate the polymers.

Die Arbeitsfähigkeit bzw. die Verfügbarkeit des Reaktors ist erhöht.The ability to work or the availability of the Reactor is elevated.

Arbeitsvorgänge mit Sauerstoff bilden keine gesundheitlichen Gefährdungen heraus im Gegensatz zum herkömmlichen Einsatz von Gasen mit Kohlenwasserstoffen und dgl..Operations with oxygen are not health-related hazards out in contrast to the conventional Use of gases with hydrocarbons and the like

Es ist unerheblich, ob die Passivierung kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt wird.It is irrelevant whether the passivation is carried out continuously or discontinuously.

Der Ätzprozess besteht aus alternierenden Passivierungs- und Ätzschritten entsprechend dem Stand der Technik.The etching process consists of alternating passivation and etching steps according to the state of the art.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous embodiments of the Procedures result from the subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem konkreten Ausführungsbeispiel der Strukturierung eines GaAs-Wafers erläutert. Die einzige Figur zeigt die schematische Darstellung der Prozessschritte in alternierender Folge.The invention will follow a concrete embodiment the structuring of a GaAs wafer explained. The only figure shows that schematic representation of the process steps in alternating order.

Ein mit einer Fotolackmaske 2 versehener GaAs-Wafer 1 wird in einen nicht dargestellten Plasmaätzreaktor eingebracht.One with a photoresist mask 2 provided GaAs wafer 1 is introduced into a plasma etching reactor, not shown.

Zur Vorbereitung des eigentlichen Strukturierungsprozesses wird die vorhandene native Oxidschicht mittels eines BCl3/Ar-Plasmas entfernt.To prepare the actual structuring process, the existing native oxide layer is removed using a BCl 3 / Ar plasma.

Der Prozessschritt Ätzen wird in einem Gemisch von BCl3/Cl2 im Verhältnis 1:3 bei einem Druck von 10 Pa und einem Gasfluss von 20 sccm ein BCl3/Cl2/Ar-Plasma vorgenommen.The process step etching is carried out in a mixture of BCl 3 / Cl 2 in a ratio of 1: 3 at a pressure of 10 Pa and a gas flow of 20 sccm, a BCl 3 / Cl 2 / Ar plasma.

Das Plasma wird vorzugsweise durch Hochfrequenz (13,56 MHz) mit einer Leistung von 75 W gespeist.The plasma is preferably through High frequency (13.56 MHz) fed with a power of 75 W.

Nach einer Ätzzeit von 30 Sekunden schließt sich ein Passivierungsschritt an. Das Passivieren erfolgt in einem Sauerstoffplasma (O2-Plasma), bei einem Druck von 10 Pa, einem Durchfluss von 10 sccm und einer eingekoppelten HF-Leistung von 75 W für die Zeit von 10 Sekunden.After an etching time of 30 seconds, a passivation step follows. The passivation takes place in an oxygen plasma (O 2 plasma), at a pressure of 10 Pa, a flow rate of 10 sccm and a coupled RF power of 75 W for a period of 10 seconds.

Nachfolgend wird die zu ätzende Fläche von der Oxidschicht 3 befreit, das wird im BCl3/Ar-Plasma (1:2) bei einem Druck von 0,5 Pa, einem Gasfluss von 15 sccm und einer HF-Leistung von 100 W nach 30 Sekunden erreicht.Below is the area to be etched by the oxide layer 3 freed, this is achieved in BCl 3 / Ar plasma (1: 2) at a pressure of 0.5 Pa, a gas flow of 15 sccm and an RF power of 100 W after 30 seconds.

Passivierungs- und Ätzschritte werden mehrfach wiederholt, damit wird eine anisotrope Strukturierung mit einer Totalätzrate von 0,7 μm/min bei einer Strukturbreite von 50 μm erzielt.Passivation and etching steps are repeated several times, so that an anisotropic structuring with a total etch rate of 0.7 μm / min with a structure width of 50 μm achieved.

Nach einer Variante des Verfahrens erfolgen die Schritte zur Ätzung und zur Passivierung nicht alternierend, sondern die Zufuhr aller Gase, Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltige Gasplasmen und Ätzgase, erfolgt gleichzeitig. Dabei muß der Prozeß so optimiert werden, dass ausschließlich an den Seitenwänden die Sauerstoff-Passivierung und der eigentliche Ätzvorgang nur an den horizontalen Flächen erfolgt.According to a variant of the procedure the steps for etching take place and not alternating for passivation, but the supply of all Gases, oxygen or oxygen-containing gas plasmas and etching gases, takes place simultaneously. The Process like that be optimized that only on the side walls Oxygen passivation and the actual etching process only on the horizontal surfaces he follows.

11
GaAs-WaferGaAs wafer
22
FotolackmaskePhotoresist mask
33
Oxidschichtoxide

Claims (4)

Verfahren zum anisotropen Strukturieren von Materialien der Mikro- und Optoelektronik sowie der Mikromechanik wie ein mit einer Photolackmaske versehener GaAs-Wafer durch Ätz- und Passivierungsvorgänge in einem Reaktionsraum eines Plasmaätz-Reaktors, wobei die Prozessschritte zyklisch bis zur Erreichung der Zieltiefe der Struktur wiederholt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der mit einer Fotolack-Maske versehene GaAs-Wafer in dem Plasmaätzreaktor in einem Gemisch von BCl3/Cl2 im Verhältnis 1:3 bei einem Druck von 10 Pa und einem Gasfluß von 20 sccm während einer Dauer von 30 Sekunden geätzt wird und danach die Passivierung mit sauerstoffhaltigen Gasen bzw. sauerstoffhaltigen Gasplasmen wie in einem Sauerstoffplasma bei einem Druck von 10 Pa, einem Durchfluß von 10 sccm und einer eingekoppelten HF-Leistung von 75 W während einer Dauer von 10 Sekunden erfolgt und dass anschließend die zu ätzende Fläche in einem BCl3/Ar-Plasma im Verhältnis 1:2 bei einem Druck von 0,5 Pa, einem Gasfluß von 15 sccm und einer HF-Leistung von 100 W während einer Dauer von 30 Sekunden von Oxid befreit wird.Process for anisotropic structuring of materials in microelectronics, optoelectronics and micromechanics such as a GaAs wafer provided with a photoresist mask by etching and passivation processes in a reaction space of a plasma etching reactor, the process steps being repeated cyclically until the target depth of the structure is reached, characterized in that the GaAs wafer provided with a photoresist mask is etched in the plasma etching reactor in a mixture of BCl 3 / Cl 2 in a ratio of 1: 3 at a pressure of 10 Pa and a gas flow of 20 sccm for a period of 30 seconds and then the passivation with oxygen-containing gases or oxygen-containing gas plasmas, such as in an oxygen plasma at a pressure of 10 Pa, a flow rate of 10 sccm and a coupled RF power of 75 W, takes place over a period of 10 seconds and then the etching Area in a BCl 3 / Ar plasma in the ratio 1: 2 at a pressure of 0 , 5 Pa, a gas flow of 15 sccm and an RF power of 100 W for a period of 30 seconds from oxide. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierung eine oxidische Oberfläche erzeugt.A method according to claim 1, characterized in that the passivation creates an oxidic surface. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzung in einem Plasmaätzer durchgeführt wird, dessen wafertragende Elektrode mit einer Hochfrequenz beschaltet wird.A method according to claim 2, characterized in that the etching is carried out in a plasma etcher, whose wafer-carrying electrode is connected to a high frequency becomes. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Gase, Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltige Gase und Ätzgas, gleichzeitig zugeführt werden.A method according to claim 1, characterized in that all gases, oxygen or oxygen-containing gases and etching gas, at the same time supplied become.
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Trench Capacitor and Dry Etchinf of Forming same., In: IBM TDB, Vol. 34, No. 5, Oct. 1991, pp.368-70
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Vol.36(1997) Part 1, No. 12B, Dec. 1997, pp.7650- 4; , AYON, A.A. et al.: Characterization of a Time Mul- tiplexed Inductively compled Plasma Etcher. In: J.Electrochem. Soc.146(1), 1999, pp. 339-49

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