DE102005032737A1 - Ätzmittel und Verfahren zur Trockenätzung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Ätzmedium für das Trockenätzen eines Substrates mit einem Anteil an Silizium und/oder polykristallinem Silizium, insbesondere von Wafern für Halbleiterbauelemente, gekennzeichnet durch einen Anteil (1) an Silizium zur Bildung einer Seitenwandpassivierung (22) des Siliziums und/oder polykristallinen Siliziums (30). Ferner betrifft die Erfindung auch ein Verfahren. Mit dem Ätzmedium und dem Verfahren ist eine effiziente Ausbildung von Seitenwandpassivierungen möglich.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Ätzmedium nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Trockenätzung nach Anspruch 3.
- Bei der Strukturierung von Materialien in der Halbleiterindustrie ist es häufig erforderlich, bestimmte Bereiche einer Struktur während Ätzprozessen durch Passivierungsschichten abzudecken. Die Passivierungsschichten dienen dazu, darunter liegende Schichten vor dem Ätzmedium zu schützen.
- Bei bekannten Trockenätzverfahren von Silizium-Halbleiterbauelementen (z.B. mit HBr als Ätzmedium) wird das Profil der Seitenwände während des Trockenätzens maßgeblich von der Seitenwandpassivierung bestimmt. Bei der Ätzung von polykristallinem Silizium (poly-Si) wird die Seitenwandpassivierung häufig durch SixOyHalz gebildet, wobei das Silizium vom Wafer stammt, der Sauerstoff und das Halogen stammen aus dem Ätzmedium (d.h. dem Prozessgas).
- Überall dort, wo wenig oder gar kein Silizium dem Ätzmedium ausgesetzt wird, kann keine ausreichende Seitenwandpassivierung erfolgen. Dadurch ist es schwierig, ein gerades Ätzprofil, z.B. an einem Steg, einer Grabenstruktur oder eine, Ridge zu erzeugen, da genau an diesen Stellen ein Überätzen (overetch) erfolgt.
- Beim Überätzschritt bei einem Poly-Gate Prozess wird z.B. das meiste Silizium weggeätzt, was zu einem Siliziummangel im Ätzmedium führt. Bei typischen Schichtdicken von etwa > 100nm kann aber bereits im Hauptätzschritt genügend Si-haltiges Material im Plasma angereichert bzw. an der Wand der Ätzkammer abgeschieden werden, welches dann im Überätzschritt als Si-Quelle dient. Bei Schichtdicken < 30nm reicht die zu Beginn der Ätzung abgeschiedene Si-Menge nicht mehr für eine effektive Passivierung aus. Ein ähnlicher Effekt entsteht beim Prozessbeginn, da das Plasma zu diesem Zeitpunkt noch nicht mit Silizium vom Wafer angereichert ist.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ätzmedium und ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine Seitenwandpassivierung in effizienter Weise möglich ist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Ätzmedium mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Durch einen Anteil im Ätzmedium an Silizium wird eine Bildung einer Seitenwandpassivierung am Silizium und/oder polykristallinem Silizium ermöglicht, wenn im Ätzmedium der Gehalt zur Ausbildung einer Passivierungsschicht ansonsten zu gering wäre.
- Vorteilhafterweise weist das erfindungsgemäße Ätzmedium einen Anteil einer Verbindung mit einem Molekül mit folgender Summenformel auf:
SiAxHaly mit
x = 0, ..., 4,
y = 0, ..., 4 und
x + y = 4 und
Hal = Cl, F, Br
insbesondere einem Anteil an SiH4, SiCl4, SiBr4, SiH2Br2 oder SiH2Cl2. - Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.
- Dabei wird zur Passivierung mindestens einer Seitenwand ein Ätzmedium gemäß Anspruch 1 oder 2 zumindest zeitweise verwendet.
- Vorteilhafterweise reagiert das Ätzmedium zusammen mit mindestens einer siliziumabgebenden Verbindung zu schwerflüchtigen SiO2-Verbindungen und/oder schwerflüchtigen SiO2-artigen und/oder Silizium-Nitrid-Verbindungen zu einer Seitenwandpassivierungsschicht.
- Ferner ist es vorteilhaft, wenn beim Ätzen einer Grabenstruktur im Material nach dem Zugeben der mindestens einen siliziumabgebenden Verbindung eine Beschichtung einer Seitenwand der Grabenstruktur mit einer SiO2-Schicht und/oder einer SiO2-artigen Schicht und/oder einer Silizium-Nitrid-Schicht zur Seitenwandpassivierung erfolgt.
- Ein vorteilhafter Anwendungsfall ist das Trockenätzen einer Gate-Polysiliziumstruktur, bei der das Ätzmedium mit einem Anteil an Silizium im overetch-Schritt eingesetzt wird.
- Auch ist es vorteilhaft, das Ätzmedium mit einem Anteil an Silizium zu Beginn des Trockenätzens einzuführen, da zu diesem Zeitpunkt noch nicht genug Silizium im Ätzmedium enthalten ist.
- Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Durchzeichnung einer elektronenmikroskopischen Aufnahme eines Steges, der mit einem bekannten Verfahren hergestellt wurde; -
2 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - In
1 ist die Durchzeichnung einer elektronenmikroskopischen Aufnahme eines Steges1 aus polykristallinem Silizium wiedergegeben. Der Steg1 wurde mittels eines üblichen Verfahrens mittels einer Trockenätzung (Ätzmedium HBr) hergestellt. Es ist deutlich erkennbar, dass am Fuß des Steges eine Unterätzung A (notching) entstanden ist, da beim Ätzen nicht genug Silizium im Ätzmedium (d.h. im Plasma) zur Abscheidung einer ausreichenden Passivierungsschicht vorhanden war. - In
2 wird schematisch die Wirkung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ätzmediums und einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. - In
2 ist dabei ein Teil einer Grabenstruktur20 im Schnitt dargestellt, die bei der Herstellung für die Halbleiterfertigung verwendet wird. Als Substrat30 dient hier ein Siliziumwafer, der durch ein Ätzmedium10 strukturiert werden soll. Grundsätzlich kann das Ätzmedium10 auch auf andere Geometrien angewandt werden. - Das Ätzmedium
10 (Plasma) enthält erfindungsgemäß einen Anteil1 an Silizium zur Bildung einer Seitenwandpassivierung auf einem strukturierten Substrat30 , hier einem Siliziumwafer (z.B. mit oder ohne einer Poly-Siliziumschicht). Dies bedeutet, dass das Ätzmedium einen Anteil an Silizium, insbesondere einer siliziumabgebenden Verbindung aufweist. - Im vorliegenden Fall wird gasförmiges SiH4 im Ätzmedium
10 verwendet. Alternativ, oder auch zusätzlich, sind gasförmiges SiCl4, SiBr4, SiH2Br2 oder SiH2Cl2 als Anteil1 mit Silizium verwendbar. Auch ist jede dieser siliziumhaltigen Verbindungen1 im Ätzmedium10 allein im erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbar. Allgemein kann als Molekül der siliziumhaltigen (und siliziumabgebenden) Verbindung 1 gemäß folgender Summenformel aufgebaut sein:
SiAxHaly mit
x = 0, ..., 4,
y = 0, ..., 4 und
x + y = 4 und
Hal = Cl, F, Br. - Somit sind chlor-, brom- oder fluorhaltige Siliziumverbindungen
1 als Zugabe zur Seitenwandpassivierung im Ätzmedium geeignet. - Des Weiteren sind im Plasma
10 ungeladene Moleküle (z.B. HBr Cl2, O2) und Ionen (O+, Cl+, Br+, O2 +) enthalten. Im vorliegenden Beispiel wird der Sauerstoff im Plasma10 als Reaktionspartner für das Silizium bei der Bildung von Passivierungsschichten22 verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann auch Stickstoff oder N2O im Plasma10 als Reaktionspartner verwendet werden. - Durch das sich im Plasma
10 senkrecht zum Substrat ausbildende elektrische Feld werden die ionisierten Teilchen im Wesentlichen senkrecht in Richtung auf einen Boden23 der Grabenstruktur31 gelenkt. Dies ist in2 durch Pfeile an den entsprechenden Ionen symbolisiert. - Die ungeladenen Teilchen, insbesondere die siliziumabgebenden Verbindungen
1 bewegen sich im Feld ungeordnet, d.h. insbesondere treffen sie auch auf die Seitenwände der Grabenstruktur20 auf. Ein Teil dieser Teilchen wird aber auch auf den Boden23 auftreffen. - Die siliziumabgebenden Verbindungen
1 werden im Plasma10 zerlegt, wobei sich das freiwerdende Silizium mit dem im Plasma10 befindlichen Sauerstoff verbindet. Da im Plasma genügend Sauerstoff vorhanden ist, reichen kleine Mengen der siliziumabgebenden Verbindung1 aus. - Als Produkt der Reaktion entstehen SiO2-Verbindungen und/oder SiO2-artige Verbindungen
2 . Diese scheiden sich grundsätzlich auf der Oberseite des Steges, den Seitenwänden des Steges und am Boden23 ab. - Allerdings treffen die im Plasma
10 erzeugten Ionen mit einer einstellbaren Energie senkrecht auf die Oberseite und den Boden23 auf, so dass die dort abgelagerten Verbindungen mit SiO2 und/oder SiO2-ähnlichen Verbindungen in-situ wieder entfernt werden. Die Ablagerungen von SiO2 und/oder SiO2-ähnlichen Verbindungen auf den Seitenwänden werden durch die senkrecht auftreffenden Ionen jedoch nicht beeinträchtigt, da sie die ebenfalls im Wesentlichen senkrecht stehenden Seitenwände nur in sehr geringen Maße treffen. Gestreute Ionen und Neutralteilchen, die die Seitenwände treffen, haben nicht genug kinetische Energie für eine Abtragung oder die Dichte der Teilchen ist zu gering. - Es bildet sich also eine Seitenwandpassivierung
22 aus SiO2 und/oder SiO2-artigen Verbindungen an den Seitenwänden der Stege aus. Diese ist in2 durch die dicken Linien gekennzeichnet. - Damit ist eine anisotrope Ätzung ohne Maßverlust möglich.
- Typische Betriebsparameter für eine solche Plasmaätzung sind:
Druck: 10 mTorr (möglicher Bereich 5 bis 80 sccm)
HBr-Fluss: 200 sccm (möglicher Bereich 100 bis 300 sccm)
O2-Fluss: 5 sccm (möglicher Bereich 1 bis 10 sccm)
He-Fluss: optional mehr als 100 sccm
SiH4-Fluss: 5 sccm (möglicher Bereich 1 bis 10 sccm)
RF-Leistung: 50 W (möglicher Bereich 20 bis 100W)
ICP (inductively coupled plasma)-Leistung: 200 W (möglicher
Bereich 100 bis 300W) - Das beschriebene Verfahren kann als Kombination von RIE und ICP-Verfahren aufgefasst werden.
- Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Ätzmedium auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.
-
- 1
- siliziumhaltige Verbindung
- 2
- SiO2-, SiO2-artige Verbindung
- 10
- Plasma
- 20
- Grabenstruktur
- 22
- Seitenwandpassivierung
- 30
- Substrat (Si)
Claims (7)
- Ätzmedium für das Trockenätzen eines Substrates mit einem Anteil an Silizium und/oder polykristallinem Silizium, insbesondere von Wafern für Halbleiterbauelemente, gekennzeichnet durch einen Anteil (
1 ) an Silizium zur Bildung einer Seitenwandpassivierung (22 ) des Siliziums und/oder polykristallinem Siliziums (30 ). - Ätzmedium nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Anteil einer Verbindung mit einem Molekül gemäß folgender Summenformel: SiAxHaly mit x = 0, ..., 4, y = 0, ..., 4 und x + y = 4 und Hal = Cl, F, Br insbesondere einem Anteil an SiH4, SiCl4, SiBr4, SiH2Br2 oder SiH2Cl2.
- Verfahren zur Trockenätzung eines Substrates mit einem Anteil polykristallinen Silizium, insbesondere von Wafern für Halbleiterbauelemente, dadurch gekennzeichnet, dass zur Passivierung mindestens einer Seitenwand ein Ätzmedium (
10 ) gemäß Anspruch 1 oder 2 zumindest zeitweise verwendet wird. - Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzmedium (
10 ) zusammen mit mindestens einer siliziumabgebenden Verbindung (1 ) zu schwerflüchtigen SiO2-Verbindungen (2 ) und/oder schwerflüchtigen SiO2-artigen und/oder Silizium-Nitrid-Verbindungen zu einer Seitenwandpassivierungsschicht (22 ) reagiert. - Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 , dadurch gekennzeichnet, dass beim Ätzen einer Grabenstruktur (
20 ) im Material nach dem Zugeben der mindestens einen siliziumabgebenden Verbindung (1 ) eine Beschichtung einer Seitenwand der Grabenstruktur (20 ) mit einer SiO2-Schicht (22 ) und/oder einer SiO2-artigen Schicht und/oder einer Silizium-Nitrid-Schicht zur Seitenwandpassivierung erfolgt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Trockenätzen einer Gate-Polysiliziumstruktur das Ätzmedium (
10 ) mit einem Anteil an Silizium im overetch-Schritt eingesetzt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzmedium mit einem Anteil an Silizium zu Beginn des Trockenätzens eingeführt wird.
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