DE10016938C2 - Selektives Trockenätzen eines dielektrischen Films - Google Patents
Selektives Trockenätzen eines dielektrischen FilmsInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ein
Verfahren zum Ätzen eines dielektrischen Films und im
besonderen auf ein Verfahren zum Ätzen einer Oxidschicht auf
einer Nitridschicht mit hoher Selektivität.
In der Herstellung von Halbleitern besteht ein wesentlicher
Schritt darin, eine Oxidschicht, die auf einer Nitridschicht
wie beispielsweise Siliziumnitrid aufgetragen wurde, ganz oder
teilweise wegzuätzen. Dabei stellt die Aufgabe, die Ätzung mit
hoher Selektivität für die Oxidschicht durchzuführen, eine
große Herausforderung dar. Da sowohl das Oxid- als auch das
Nitridmaterial in einem Ätzplasma ungefähr gleich schnell
geätzt werden, wurde die Herausforderung, ein Verfahren mit
einer ausreichenden Selektivität bereitzustellen, bislang
nicht erfüllt.
Ein Versuch, diese Herausforderung zu erfüllen, besteht in der
Verwendung eines fluorsubstituierten Kohlenwasserstoffs als
Ätzmittel. Das Fluor reagiert mit dem vorhandenen Kohlenstoff
und bildet auf dem Substrat eine passivierte Fluorkohlenstoff-
Polymerschicht. Dieses Polymer wird von Sauerstoffatomen
aufgespalten, die während der Ätzung der Oxidschicht
freigesetzt werden. Mit fortlaufender Ätzung der Oxidschicht
wird die Nitridschicht aufgrund des Vorhandenseins der
passivierenden Schicht immer langsamer geätzt. Leider wird
auch die passivierende Schicht angegriffen, und zwar von
freien Fluoratomen im Plasma. Die Folge ist, daß die Ätzung
der Nitridschicht schneller voranschreitet als erwünscht.
Marks et al. beschreiben im US-Patent Nr. 5,423,945 ein
weiteres Verfahren zum selektiven Ätzen einer Oxidschicht auf
einer Nitridschicht. Das beschriebene Verfahren verwendet
hochpolymerisierende Gase wie beispielsweise C4F8 oder CH2F2
mit einem Fluoradsorber wie beispielsweise CO. Dabei wird auf
der Nitridschicht eine kohlenstoffreiche Polymerschutzschicht
gebildet. Zwar wird damit eine bessere Ätzselektivität der
Oxidschicht gegenüber der Nitridschicht erreicht, doch gehen
mit diesem Verfahren auch mehrere Nachteile einher.
Erstens erfordert das von Marks et al. beschriebene Verfahren
die Bildung eines Polymers auf der Nitridschicht, damit die
Ätzung auf der Nitridschicht langsamer wird. Dieses Verfahren
ist für sehr dünne Nitridschichten von 20 nm oder
weniger nicht optimal geeignet, da die Nitridschicht durch den
Ätzvorgang verbraucht sein kann, bevor der Effekt der
Selektivität erreicht ist. Zweitens kann die Verwendung eines
polymerisierenden Gases nicht wünschenswert sein, da seine
hohe Selektivität bei der nachfolgenden Ätzung der
Nitridschicht (dieser Schritt ist in der Halbleiterproduktion
nach wie vor üblich) bleibende Schäden verursachen kann.
Darüber hinaus neigen hochpolymerisierende Gase dazu, sowohl
auf dem geätzten Substrat als auch in der Prozeßkammer
Rückstände in beträchtlichem Umfang zu hinterlassen. Infolge
dieser Rückstände ist sowohl auf dem Substrat als auch in der
Prozeßkammer eine Nachreinigung erforderlich. Dazu kommt, daß
viele polymerisierende Gase, darunter auch CH2F2, brennbar,
toxisch oder brennbar und toxisch sind. CO, das als
Adsorbergas verwendet wird, ist toxisch und neigt dazu, aus
rostfreien Edelstahl-Komponenten Nickel und Eisen zu
extrahieren und diese in der Gasleitung der
Ätzkammervorrichtung abzulagern.
Die Nachteile bei der Verwendung herkömmlicher Verfahren zum
Ätzen einer Oxidschicht auf einer Nitridschicht machen
deutlich, daß ein Verfahren benötigt wird, das eine hohe
Selektivität für die Oxidschicht aufweist, nicht
polymerisierende Gase verwendet und zur Verwendung auf einer
Oxidschicht, die über einer dünnen Nitridschicht aufgetragen
wurde, geeignet ist. Um die Nachteile herkömmlicher Verfahren
zu überwinden, wird ein neues Verfahren vorgestellt. Ein
Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Verfahren zum Ätzen einer Oxidschicht auf einer Nitridschicht
mit hoher Selektivität bereitzustellen. Gleichzeitig wird
versucht, ein Verfahren anzubieten, das sich für Oxidschichten
auf dünnen Nitridschichten eignet. Ein weiterer Gegenstand der
vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
anzubieten, in dem nichtpolymerisierende Gase verwendet
werden.
Um diese und weitere Ziele zu erreichen, sowie in Anbetracht
ihrer Zwecke, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum Ätzen einer Oxidschicht auf einer Nitridschicht in einem
oberen Teil eines Substrats bereit. Das Substrat wird mit
hoher Selektivität für die Oxidschicht auf der Nitridschicht
geätzt, und zwar mit einem Plasma, das von einem kohlenstoff-
und fluorhaltigen Gas sowie von einem stickstoffhaltigen Gas
abgeleitet ist. Das Ätzen des Substrats durch die Oxidschicht
auf die Nitridschicht erzeugt eine SixNy-Form, die auf der
Nitridschicht abgelagert wird. Dieser Vorgang liegt
einigermaßen im Gleichgewicht mit der Ätzung der
Nitridschicht.
Bei dem genannten kohlenstoff- und fluorhaltigen Gas handelt
es sich vorzugsweise um CF4, C2F6 oder eine Mischung dieser
Verbindungen. Bei dem stickstoffhaltigen Gas handelt es sich
vorzugsweise um N2, NH3 oder eine Mischung dieser Gase. Die
Nitridschicht, die sich unter der Oxidschicht befindet, sollte
vorzugsweise durch chemische Dampfabscheidung (CVD) gebildet
worden sein. In Frage kommende Verfahren wären hier
beispielsweise die chemische Niederdruck-Dampfabscheidung
(LPCVD) oder die plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung
(PECVD). Am besten geeignet für die Bildung der Nitridschicht
wäre die plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD).
Es wird darauf hingewiesen, daß sowohl die obige allgemeine
Beschreibung als auch die nachfolgende ausführliche
Beschreibung nur Beispielcharakter haben und das Prinzip der
vorliegenden Erfindung durch die Beschreibung nicht
eingeschränkt wird.
Das Prinzip der vorliegenden Erfindung wird am besten
verständlich, wenn die nachfolgende ausführliche Beschreibung
in Verbindung mit der beiliegenden Figur gelesen wird. Es sei
darauf hingewiesen, daß entsprechend der üblichen
Vorgehensweise die verschiedenen Bestandteile der Figur nicht
maßstabsgetreu dargestellt sind. Das Gegenteil ist der Fall:
die verschiedenen Abmessungen wurden zur besseren
Veranschaulichung willkürlich vergrößert oder verkleinert. Die
einzige Figur, Fig. 1, zeigt schematisch einen Querschnitt
einer herkömmlichen Ätzvorrichtung.
Als nächstes soll die vorliegende Erfindung unter Verweis auf
Fig. 1 veranschaulicht werden. Die Figur ist beispielhaft,
nicht einschränkend. Sie soll dem besseren Verständnis der
Beschreibung dieser Vorrichtung, die für das Verfahren der
vorliegenden Erfindung verwendet wird, dienen.
Fig. 1 ist ein Querschnitt einer herkömmlichen Ätzkammer 10.
Ein Gehäuse 12, das beispielsweise aus Aluminium bestehen
kann, definiert eine Ätzkammer 14. Das zu verarbeitende
Substrat 22, beispielsweise ein Silizium-Wafer, ist an einem
Elektrodenaufnahmeelement 16 befestigt. Dieses Element 16 ist
normalerweise die Kathode. Die Innenwände des Gehäuses 12
bilden die Anode. Die Kathode 16 ist an eine HF-Quelle 18
angeschlossen. Ein Gasverteiler 20, der an eine
Prozesgasquelle (nicht dargestellt) angeschlossen ist, liegt
in einem geringen Abstand dem Kathodenelement 16 genau
gegenüber. Wenn das Prozeßgas den Gasverteiler 20 über die
Öffnungen 23 verläßt, wird es auf das Substrat 22 geleitet.
Wenn die HF-Spannung an die Substrathalterung 16 angelegt wird
und die Prozeßgase an den Verteiler 20 geleitet werden, wird
zwischen dem Verteiler 20 und dem Substrat 22 ein Plasma
gebildet. Eine abgehende Leitung 24, die an eine Vakuumpumpe
(nicht dargestellt) angeschlossen ist, erhält den Druck in der
Kammer aufrecht und leitet verbrauchte Gase und
Reaktionsprodukte ab.
Allgemein gilt: Wenn ein Fluorkohlenstoff-Ätzgas,
beispielsweise CF4, C2F6, C3F8, CH2F4, das sowohl Kohlenstoff
als auch Fluor enthält, auf ein Plasma geleitet wird, werden
im Plasma verschiedene Fragmente erzeugt. Diese Fragmente
sind, unter anderem, freie Fluoratome, CF- und CF2-Radikale.
Das Fluor ätzt die Siliziumoxidschichten auf einem Substrat.
Während des Ätzvorgangs wird jedoch auch ein Polymer aus
Kohlenstoff und Fluor gebildet, das sich auf dem Substrat
ablagert und eine passivierende Schicht bildet. Diese Polymere
werden von Sauerstoffatomen angegriffen. Daher spalten die
Sauerstoffatome der Oxidschicht das Polymer bei seiner
Bildung, ohne daß dadurch die Ätzung der Oxidschicht
beeinträchtigt wird. Wenn jedoch kein Sauerstoff vorhanden
ist, was zum Beispiel der Fall ist, wenn eine sauerstofflose
Schicht (beispielsweise eine Nitridschicht) erreicht wird,
dann ist kein Sauerstoff vorhanden, um die passivierende
Polymerschicht aufzuspalten. An dieser Stelle wird die
Siliziumoxidschicht weitergeätzt, und die passivierende
Nitridschicht ätzt langsamer.
Leider wird das passivierende Polymer ebenfalls von Fluor
angegriffen, und die kontinuierliche Bildung von Fluorionen im
Plasma bombardiert die Polymerschicht und greift sie an.
Dadurch wird das Polymer aufgespalten, worauf die
Nitridschicht vom Plasma geätzt wird.
Es wurden bereits mehrere Versuche unternommen, als Ätzgas
eine Mischung aus CHF3 und HeO2 zu verwenden, die ebenfalls
ein passivierendes Polymer auf der Nitridschicht erzeugt.
Dieser Polymeraufbau geht nicht sehr einheitlich vonstatten,
d. h. die Uneinheitlichkeit der Ätzgeschwindigkeit ist von der
Mitte bis zum Rand an der Ätzstop-Nitridschicht sehr hoch.
Diese unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeiten sind beim Ätzen
der Nitridschicht in der nachfolgenden Verarbeitung ein großes
Problem. Wenn darüber hinaus der Nitridfilm durch eine
plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung gebildet wird,
wird der Unterschied in der Ätzgeschwindigkeit aufgrund der
einfacheren Ätzbarkeit der Nitridschicht noch größer.
Man hat herausgefunden, daß das Ätzen mit einem Plasma, das
von einem kohlenstoff- und fluorhaltigen Gas und von einem
stickstoffhaltigen Gas abgeleitet wurde, die oben genannten
Mängel verringert. Insbesondere hat man entdeckt, daß das
Ätzen eines Substrats, auf dem sich eine Oxidschicht über
einer Nitridschicht befindet, mit einem Plasma, das von einem
kohlenstoff- und fluorhaltigen Gas und von einem
stickstoffhaltigen Gas abgeleitet wurde, eine SixNy-Form
erzeugt. Diese SixNy-Form, in der x = 2, 3 oder 4 und y = 1,
2, 3 oder 4 ist, wird erzeugt durch die Reaktion von SiFx,
einem Nebenprodukt des Ätzvorgangs, mit Stickstoffradikalen
und -ionen, beispielsweise N, N2 - und N-, wenn der Ätzvorgang
anhält, bis die Oxidschicht durchdrungen und die Nitridschicht
erreicht ist. (Es ist möglich, daß mehrere verschiedene SixNy-
Formen während eines einzigen Prozesses gebildet werden. Zum
Beispiel kann eine Si2Ny-Form zusammen mit einer Si3Ny-Form
gebildet werden.) Die SixNy-Form, bei der es sich vorzugsweise
um die Si3N4-Form handelt, ist der Plasmavorläufer für
Nitridschichten, die durch chemische Dampfabscheidung und
insbesondere die plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung
gebildet werden. Als Vorläufer hat die SixNy-Form eine
Affinität für die Nitridschicht, wodurch sie an Teilen der
Nitridschicht, die geätzt wurden, "festklebt".
Mit dem Vorhandensein von SixNy im Ätzplasma tritt der
umgekehrte Prozeß der Nitridätzung ein: Teile der geätzten
Nitridschicht werden durch Nitridablagerungen ersetzt. Der
Nitridablagerungsprozeß liegt im wesentlichen in einem
Gleichgewicht mit dem Nitridschicht-Ätzprozeß, wodurch sich
eine hohe Selektivität der Oxidschicht gegenüber der
Nitridschicht ergibt. Das Ergebnis ist eine Verringerung der
Ungleichheit gegenüber bisherigen Prozessen.
In dieser Patentschrift bezeichnet der Begriff "Oxidschicht"
diejenigen Oxidschichten, die üblicherweise in der
Halbleiterherstellung verwendet werden. Dies sind
beispielsweise Siliziumdioxid, Silanoxid oder
Tetraethylorthosilikat (TEOS)-Oxid. Entsprechend bezeichnet
der Begriff "Nitridschicht" solche Nitridschichten, die
üblicherweise in der Halbleiterherstellung verwendet werden,
beispielsweise Siliziumnitrid. Das Prinzip der vorliegenden
Erfindung eignet sich auch für dünne Nitridschichten mit einer
Dicke von weniger als etwa 20 nm.
In der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den
verwendeten Fluorkohlenstoff-Ätzgasen vorzugsweise um CF4, C2F6
oder Mischungen dieser Verbindungen. Das stickstoffhaltige Gas
ist vorzugsweise NH3, N2 oder eine Mischung dieser
Verbindungen. Der Prozeß der vorliegenden Erfindung läßt sich
in üblichen Prozeßkammern durchführen, beispielsweise
Diodenkammern oder hochdichten Plasmakammern. Die Ätzkammer
wird von einer HF-Energiequelle versorgt, die sich über die
Elektroden der Kammer mit dem Plasma kapazitiv koppeln läßt.
Die HF-Energiequelle kann auch induktiv durch eine Kammerwand
mit dem Plasma gekoppelt werden.
Das folgende Beispiel wird angeführt, um einen leicht
verständlichen Gesamtüberblick über das Prinzip der
vorliegenden Erfindung zu geben. Es schränkt andere
Anwendungsmöglichkeiten in keinster Weise ein.
Ein Silizium-Wafer mit einer Siliziumdioxidschicht, die etwa
1000 Angström dick ist, befindet sich auf einer
Siliziumnitridschicht, die etwa 20 nm dick ist, wobei
die Siliziumnitridschicht durch eine plasmaverstärkte
chemische Dampfabscheidung gebildet wurde, wurde in einer HF-
Ätzkammer geätzt. Das Ätzgas setzte sich aus CF4 und N2
zusammen und hatte einen Druck von 213 Pa. Die elektrische
Energie betrug 800 W. Eine Vorspannung von -550 V, die mit
einer HF-Energiequelle von 13,56 MHz erreicht wurde, wurde
angelegt. Die Selektivität der Oxidschicht auf der
Nitridschicht betrug 3 : 1.
Zwar wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung anhand
spezifischer Ausführungsbeispiele veranschaulicht und
beschrieben, doch ist es nicht auf diese dargestellten
Einzelheiten beschränkt. Innerhalb des Anwendungsbereichs sind
vielfältige und weitreichende Abwandlungen möglich, ohne vom
Grundprinzip der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Claims (10)
1. Ein Verfahren zum Ätzen einer Oxidschicht, die sich auf
einer Nitridschicht im oberen Bereich eines Substrats
befindet, das eine hohe Ätzselektivität für die Oxidschicht
aufweist, wobei dieses Verfahren folgendes umfasst:
Bereitstellung eines Plasmas, das von einem kohlenstoff- und fluorhaltigen Gas und von einem stickstoffhaltigen Gas abgeleitet wurde; und
Ätzen des Substrats im Plasma, welches mit dem Substrat in Verbindung ist,
wobei die Atzung SiF4 erzeugt, und das Plasma SixNy-Formen enthält, die aus einer Reaktion von SiF4 und Stickstoffformen abgeleitet wurden, und wobei eine Ablagerung der SixNy-Formen auf der Nitridschicht im wesentlichen im gleichen Maße wie die Ätzung der Nitridschicht stattfindet.
Bereitstellung eines Plasmas, das von einem kohlenstoff- und fluorhaltigen Gas und von einem stickstoffhaltigen Gas abgeleitet wurde; und
Ätzen des Substrats im Plasma, welches mit dem Substrat in Verbindung ist,
wobei die Atzung SiF4 erzeugt, und das Plasma SixNy-Formen enthält, die aus einer Reaktion von SiF4 und Stickstoffformen abgeleitet wurden, und wobei eine Ablagerung der SixNy-Formen auf der Nitridschicht im wesentlichen im gleichen Maße wie die Ätzung der Nitridschicht stattfindet.
2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei als Substrat Silizium
verwendet wird.
3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Oxidschicht aus
der Gruppe ausgewählt wird, die sich aus Siliziumdioxid,
Tetraethylorthosilikatoxid und Silanoxid zusammensetzt.
4. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei als Nitridschicht
Siliziumnitrid verwendet wird.
5. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das kohlenstoff-
und fluorhaltige Gas aus einer Gruppe ausgewählt wird, die
sich aus CF4, C2F6 oder einer Mischung dieser Verbindungen
zusammensetzt.
6. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das stickstoffhaltige
Gas aus einer Gruppe ausgewählt wird, die sich aus N2, NH3
und Mischungen dieser Verbindungen zuammensetzt.
7. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei eine Nitridschicht
verwendet wird, deren Dicke unter 20 nm liegt.
8. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei:
der Ätzvorgang in einer Ätzkammer stattfindet, die mit Elektroden ausgestattet ist; und
das Verfahren außerdem einen Schritt umfasst, bei dem HF- Energie über die Elektroden kapazitativ in das Plasma eingekoppelt wird.
der Ätzvorgang in einer Ätzkammer stattfindet, die mit Elektroden ausgestattet ist; und
das Verfahren außerdem einen Schritt umfasst, bei dem HF- Energie über die Elektroden kapazitativ in das Plasma eingekoppelt wird.
9. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei:
der Ätzvorgang in einer Ätzkammer stattfindet, die mit einer Kammerwand ausgestattet ist; und
das Verfahren außerdem einen Schritt umfasst, bei dem HF- Energie durch die Wand induktiv in das Plasma eingekoppelt wird.
der Ätzvorgang in einer Ätzkammer stattfindet, die mit einer Kammerwand ausgestattet ist; und
das Verfahren außerdem einen Schritt umfasst, bei dem HF- Energie durch die Wand induktiv in das Plasma eingekoppelt wird.
10. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Nitridschicht auf
dem Substrat durch chemische Dampfabscheidung gebildet wird.
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