DE102005015502B4 - Verfahren zum Ätzen von Vertiefungen in ein Siliziumsubstrat - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zum Ätzen
von Vertiefungen (80, 90, 100), insbesondere Gräben, in ein Siliziumsubstrat
(10), bei dem
– eine auf der Oberfläche (20) des Siliziumsubstrats (10) befindliche Maske (30) unter Freilegung zumindest zweier unterschiedlich großer Oberflächenabschnitte (40, 50, 60) des Siliziumsubstrats (10) geöffnet wird und
– die freigelegten Oberflächenabschnitte einem Ätzgas (70) ausgesetzt werden, das eine Silizium ätzende Ätzgaskomponente, eine das geätzte Silizium unter Bildung einer Passivierungsschicht (120) passivierende Ätzgaskomponente und eine die Passivierungsschicht ätzende Ätzgaskomponente aufweist, wobei die drei Ätzgaskomponenten derart aufeinander abgestimmt werden, dass die Ätztiefe (T) an den beiden unterschiedlich großen Oberflächenabschnitten gleich groß wird, wobei die Silizium passivierende Ätzgaskomponente derart zusammengesetzt ist, dass sie auf der geätzten Siliziumoberfläche (110) bei Vertiefungen (40) mit großem Aspektverhältnis eine dünnere Passivierungsschicht (120) als bei Vertiefungen (100) mit kleinem Aspektverhältnis bildet.
– eine auf der Oberfläche (20) des Siliziumsubstrats (10) befindliche Maske (30) unter Freilegung zumindest zweier unterschiedlich großer Oberflächenabschnitte (40, 50, 60) des Siliziumsubstrats (10) geöffnet wird und
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ätzen von Vertiefungen, insbesondere von Gräben, in ein Siliziumsubstrat.
- Das Ätzen von Vertiefungen in Silizium-Substrate spielt beispielsweise bei der Herstellung von Halbleiterspeichern, insbesondere von DRAM-Speicherzellen, eine große wirtschaftliche Rolle. Bei der Herstellung von DRAM-Speicherzellen werden Vertiefungen geätzt, um darin platzsparend Kondensatoren unterzubringen, in denen Informationen in Form elektrischer Ladungen gespeichert werden, bzw. zur lateralen Isolation. Im Hinblick auf eine maximale Speicherzellendichte werden die Vertiefungen mit einem möglichst großen Aspektverhältnis geätzt; dies bedeutet, dass die Vertiefungen möglichst tief und schmal ausgeführt werden.
- Die deutsche Patentschrift
DE 197 06 682 C2 beschreibt ein Verfahren zum Ätzen von Vertiefungen in ein Siliziumsubstrat, bei dem sich Ätzratenunterschiede und damit unterschiedliche Ätztiefen zwischen schmalen und breiteren Ausnehmungen ergeben. - Die US-Patentanmeldung US 2003/0171000 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ätzen von Vertiefungen in ein Siliziumsubstrat unter Verwendung reaktiver Ionen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ätzen von Vertiefungen in ein Siliziumsubstrat anzugeben, bei dem eine möglichst gleichmäßige Ätztiefe über das gesamte geätzte Siliziumsubstrat erreicht wird.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal tungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
- Danach ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Ätzen von Vertiefungen, insbesondere Gräben, vorgesehen, bei dem eine auf der Oberfläche des zu ätzenden Siliziumsubstrats befindliche Maske an zumindest zwei Oberflächenabschnitten des Substrates geöffnet wird, wobei die Oberflächenabschnitte ungleich groß gewählt werden. Anschließend werden die freigelegten Oberflächenabschnitte einem Ätzgas ausgesetzt, das eine Silizium ätzende Ätzgaskomponente, eine die geätzte Siliziumoberfläche unter Bildung einer Passivierungsschicht passivierende Ätzgaskomponente und eine die Passivierungsschicht ätzende Ätzgaskomponente aufweist, wobei die drei Ätzgaskomponenten derart aufeinander abgestimmt werden, dass die Ätztiefe in den beiden Oberflächenabschnitten gleich groß wird, wobei die Silizium passivierende Ätzgaskomponente derart zusammengesetzt ist, dass sie auf der geätzten Siliziumoberfläche (
110 ) bei Vertiefungen (40 ) mit großem Aspektverhältnis eine dünnere Passivierungsschicht (120 ) als bei Vertiefungen (100 ) mit kleinem Aspektverhältnis bildet. - Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass unabhängig von der Strukturgröße und damit unabhängig von dem Aspektverhältnis der zu ätzenden Vertiefungen über dem gesamten Substrat stets eine gleichmäßige Ätztiefe erreicht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit aufgrund der Abstimmung der Ätzgaskomponenten hinsichtlich der erzielten Ätztiefe aspektverhältnisunabhängig.
- Die beschriebene gleichmäßige Ätztiefe lässt sich besonders einfach und damit vorteilhaft erreichen, wenn die Anteile und/oder die Zusammensetzung der drei Ätzgaskomponenten derart gewählt wird, dass die Ätzrate im Silizium unabhängig von der Querschnittsgröße und dem Aspektverhältnis der zu ätzenden Vertiefun gen stets gleich ist.
- Als die das Silizium ätzende Ätzgaskomponente wird vorzugsweise ein SiF4-enthaltendes und/oder ein SiCl4-enthaltendes Gasgemisch verwendet.
- Zum Bilden der Passivierungsschicht wird als Ätzgaskomponente bevorzugt Sauerstoff eingesetzt. Eine Oxid-Passivierungsschicht ist insbesondere bei Verwendung einer Oxid-Ätzmaske von Vorteil, da in einem einzigen späteren Verfahrensschritt sowohl die Ätzmaske als auch die entstandene Passivierungsschicht entfernt werden können.
- Als die die Passivierungsschicht ätzende Ätzgaskomponente wird vorzugsweise ein CF4-enthaltendes Gasgemisch und/oder ein CHF3-enthaltendes Gasgemisch und/oder ein NF3-enthaltendes Gasgemisch und/oder ein SF6-enthaltendes Gasgemisch verwendet.
- Die drei Ätzgaskomponenten werden bevorzugt mit Argon und/oder Helium und/oder Xenon und/oder einem Helium-Sauerstoff-Gemisch vermischt bzw. verdünnt, um die Aggressivität des Ätzgases nach vorgegebenen Kriterien wie Ätzgeschwindigkeit etc. einzustellen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise als Teil eines Verfahrens zum Herstellen von Speicherzellen, insbesondere DRAM-Speicherzellen, oder von Logikbausteinen eingesetzt werden. Beispielsweise werden in den geätzten Vertiefungen Kondensatoren bzw. Isolationsgräben, insbesondere für DRAM-Speicherzellen, gebildet.
- Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert; dabei zeigen
1 und2 verschiedene Verfahrensschritte des beispielhaft gezeigten Verfahrens. - In der
1 erkennt man ein Silizium-Substrat10 mit einer Oberfläche20 . Auf der Oberfläche20 ist eine SiO2-Maskenschicht30 aufgebracht, die an drei Oberflächenabschnitten40 ,50 und60 des Silizium-Substrates10 geöffnet bzw. freigelegt wird. Die Breite der Oberflächenabschnitte40 ,50 und60 ist in der1 mit den Bezugszeichen b1, b2 und b3 gekennzeichnet. Das Bezugszeichen b1 kennzeichnet beispielhaft die Breite des kleinsten bzw. schmalsten freigelegten Oberflächenabschnitts40 . - Anschließend werden die Oberflächenabschnitte
40 ,50 und60 einem Ätzgas70 ausgesetzt, das das Silizium-Substrat10 ätzt. Es entstehen Vertiefungen in Form von Gräben, die in der2 dargestellt und mit den Bezugszeichen80 ,90 und100 gekennzeichnet sind. - Das Ätzgas
70 enthält zumindest drei Ätzgaskomponenten: Eine erste Ätzgaskomponente ätzt Silizium. Eine zweite Ätzgaskomponente passiviert die geätzte Silizium-Oberfläche110 unter Bildung einer Passivierungsschicht120 . Eine dritte Ätzgaskomponente ätzt wiederum die Passivierungsschicht120 . - Die Gasanteile der drei Ätzgaskomponenten sind derart aufeinander abgestimmt, dass die Ätzrate bzw. die Ätzgeschwindigkeit in den Gräben
80 ,90 und100 des Silizium-Substrats10 gleich groß, zumindest annähernd gleich groß ist. Die Tiefe T der drei Gräben80 ,90 und100 ist somit ebenfalls gleich groß, obwohl die Aspektverhältnisse A der drei Gräben aufgrund der unterschiedlichen Grabenbreiten b1, b2 bzw. b3 unterschiedlich sind. Die Aspektverhältnisse A der drei Gräben errechnen sich wie folgt:
A(Graben80 ) = T/b1
A(Graben90 ) = T/b2
A(Graben100 ) = T/b3 - Das Ätzgas
70 weist bei einer minimalen Grabenbreite von b1 = 90 nm bevorzugt folgende Zusammensetzung auf: - – 10–20% SiF4 als „erste" Ätzgaskomponente, mit der Silizium geätzt wird;
- – 5–15% O2 als „zweite" Ätzgaskomponente zum Oxidieren
der geätzten
Siliziumflächen
110 im Bodenbereich140 der Gräben und zum Bilden der Passivierungsschicht120 aus Oxid; - – 30–50% CF4 als „dritte" Ätzgaskomponente zum Entfernen
der Oxid-Passivierungsschicht
120 ; - – Restlicher Anteil: „Verdünnungsgas" z.B. Argon.
- Das Ätzen wird vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 40 und 60 Grad Celsius und einem Druck zwischen 500 mPa und 1000 mPa durchgeführt.
- Bei der angegebenen Ätzgaszusammensetzung wird auf der geätzten Siliziumoberfläche
110 bei Vertiefungen mit großem Aspektverhältnis – z.B. Graben40 – eine dünnere Passivierungsschicht120 als bei Vertiefungen mit kleinem Aspektverhältnis – z.B. Graben100 – gebildet. Durch die unterschiedliche Dicke der Passivierungsschicht wird erreicht, dass die Ätzgeschwindigkeit des Ätzgases70 aspektverhältnisunabhängig ist. - Zum Entfernen der Oxid-Passivierungsschicht
120 kann anstelle von CF4 oder zusätzlich dazu auch CHF3-, NF3- und/oder SF6- Gas verwendet werden. Bei Verwendung von CHF3 liegt der Gasanteil vorzugsweise im Bereich zwischen 40 und 70%. Bei NF3- bzw. SF6- Gas sind Gasanteile von ca. 25 bzw. ca. 45% zu empfehlen. - Anstelle von Argon als „Verdünnungsgas" können auch Helium oder Xenon bzw. Mischungen aus den genannten Gasen verwendet werden.
- Zum Bilden der Oxid-Passivierungsschicht
120 kann im Übrigen auch ein Helium-Sauerstoff-Gemisch eingesetzt werden. - Bei kleineren minimalen Grabenbreiten als b1 = 90 nm wird die Zusammensetzung des Ätzgases
70 vorzugsweise geringfügig modifiziert, um zu vermeiden, dass die Gräben mit besonders kleiner Grabenbreite durch die sich auf den Seitenflanken130 der Gräben bildende Passivierungsschicht120 seitlich „zuwachsen" und im Bodenbereich140 der Gräben keine Ätzung mehr stattfindet. Je klei ner die minimale Grabenbreite b1 ist, desto größer sollte der Anteil der ersten und zweiten Ätzgaskomponente gewählt werden. Besonders großen Einfluss hat hierbei der Anteil der zweiten Ätzgaskomponente (Sauerstoff), da dieser sowohl mit der ersten Ätzgaskomponente, als auch mit dem geätzten Silizium eine Passivierungsschicht bilden kann. Höherer Sauerstoffanteil führt somit zu mehr Passivierung, jedoch nur in eng begrenztem Rahmen, sofern nicht gleichzeitig auch der Anteil der ersten Ätzgaskomponente erhöht wird. Prinzipiell werden beim Übergang zu kleineren Strukturbreiten die erste und die zweite Ätzgaskomponente mit Übergewichtung der zweiten Ätzgaskomponente erhöht um einen Ausgleich der erzielten Ätztiefen zu erreichen, wobei dadurch eine Vergrößerung der Ätzzeit bei gleicher Zieltiefe in Kauf genommen werden muss. Diese kann in gewissen Grenzen durch Veränderung der Biasleistung bzw. -spannung kompensiert werden, bzw. durch eine Verringerung der Biasleistung bzw. -spannung ein ähnlicher Effekt wie durch Erhöhung der ersten und zweiten Ätzgaskomponente erreicht werden. Im Rahmen der beim Siliziumätzen üblichen Spielräume haben andere Parameter, wie Temperatur, Druck usw. nur untergeordnete Effekte gezeigt. - Bei einer minimalen Grabenbreite von b1 = 70 nm wird beispielsweise mit folgenden Ätzparametern ein optimales Ätzverhalten erzielt:
- – Gaszusammensetzung: 10% SiF4, 5% O2, 35% CF4, 50% Ar
- – Druck: 650 mPa
- – Leistung: 1200 W(top)/220 W(bottom)
- – Temperatur: 50°C Cathode/65°C Wall
-
- 10
- Silizium-Substrat
- 20
- Oberfläche
- 30
- SiO2-Maskenschicht
- 40, 50, 60
- Oberflächenabschnitte
- 70
- Ätzgas
- 80, 90, 100
- Gräben
- 110
- Geätzte Silizium-Oberfläche
- 120
- Passivierungsschicht
- 130
- Seitenflanken
- 140
- Bodenbereich
- b1, b2, b3
- Grabenbreite
- T
- Tiefe
- A
- Aspektverhältnis
Claims (15)
- Verfahren zum Ätzen von Vertiefungen (
80 ,90 ,100 ), insbesondere Gräben, in ein Siliziumsubstrat (10 ), bei dem – eine auf der Oberfläche (20 ) des Siliziumsubstrats (10 ) befindliche Maske (30 ) unter Freilegung zumindest zweier unterschiedlich großer Oberflächenabschnitte (40 ,50 ,60 ) des Siliziumsubstrats (10 ) geöffnet wird und – die freigelegten Oberflächenabschnitte einem Ätzgas (70 ) ausgesetzt werden, das eine Silizium ätzende Ätzgaskomponente, eine das geätzte Silizium unter Bildung einer Passivierungsschicht (120 ) passivierende Ätzgaskomponente und eine die Passivierungsschicht ätzende Ätzgaskomponente aufweist, wobei die drei Ätzgaskomponenten derart aufeinander abgestimmt werden, dass die Ätztiefe (T) an den beiden unterschiedlich großen Oberflächenabschnitten gleich groß wird, wobei die Silizium passivierende Ätzgaskomponente derart zusammengesetzt ist, dass sie auf der geätzten Siliziumoberfläche (110 ) bei Vertiefungen (40 ) mit großem Aspektverhältnis eine dünnere Passivierungsschicht (120 ) als bei Vertiefungen (100 ) mit kleinem Aspektverhältnis bildet. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anteile und/oder die Zusammensetzung der drei Ätzgaskomponenten derart gewählt werden, dass die Ätzrate im Silizium unabhängig von der Querschnittsgröße (b1, b2, b3) und dem Aspektverhältnis (A) der zu ätzenden Vertiefungen (
80 ,90 ,100 ) ist. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die Silizium (
10 ) ätzende Ätzgaskomponente ein SiF4-enthaltendes Gas verwendet wird. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die Silizium (
10 ) ätzende Ätzgaskomponente ein SiCl4-enthaltendes Gas verwendet wird. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die die Passivierungsschicht (
120 ) bildende Ätzgaskomponente ein Helium-Sauerstoff-Gemisch eingesetzt wird. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die die Passivierungsschicht (
120 ) ätzende Ätzgaskomponente ein CF4-enthaltendes Gas verwendet wird. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die die Passivierungsschicht (
120 ) ätzende Ätzgaskomponente ein CHF3-enthaltendes Gas verwendet wird. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die die Passivierungsschicht (
120 ) ätzende Ätzgaskomponente ein NF3-enthaltendes Gas verwendet wird. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die die Passivierungsschicht (
120 ) ätzende Ätzgaskomponente ein SF6-enthaltendes Gas verwendet wird. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Ätzgaskomponenten mit Argon vermischt werden.
- Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Ätzgaskomponenten mit Helium vermischt werden.
- Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Ätzgaskomponenten mit Xenon vermischt werden.
- Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Ätzgaskomponenten mit einem Helium-Sauerstoff-Gemisch vermischt werden.
- Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren als Teil eines Verfahrens zum Herstellen von Speicherzellen, insbesondere DRAM-Speicherzellen, oder Logikbausteinen verwendet wird.
- Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den geätzten Vertiefungen (
80 ,90 ,100 ) Kondensatoren für DRAM-Speicherzellen oder Isolationsgräben gebildet werden.
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