DE10224935A1 - Verfahren zum Ätzen von Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis - Google Patents

Verfahren zum Ätzen von Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis

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Siddhartha Panda
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Abstract

Ein Verfahren zum Ätzen einer tiefen Öffnung mit hohem Seitenverhältnis in einem Siliziumsubstrat umfasst das Ätzen des Substrats mit einem ersten Plasma, das gebildet wird unter Verwendung einer ersten Gasmischung, die ein Brom enthaltendes Gas, ein Sauerstoff enthaltendes Gas und ein erstes Fluor enthaltendes Gas umfasst. Das Ätzverfahren mit der ersten Gasmischung erzeugt einen Seitenwandpassivierungs-Niederschlag, der sich nahe dem Öffnungseinlass bildet. Um diese Entstehung zu verringern und die durchschnittliche Ätzrate zu vergrößern, wird der Seitenwandpassivierungs-Niederschlag periodisch verdünnt, indem ein zweites Plasma gebildet wird, das eine Mischung verwendet, die Silan und ein zweites Fluor enthaltendes Gas enthält. Das Substrat bleibt in der gleichen Plasmareaktorkammer während des ganzen Verfahrens, und das Plasma wird während des Verdünnungsschrittes kontinuierlich aufrechterhalten. Löcher mit einer Tiefe von mehr als dem 40-fachen der Breite werden bei wiederholter Anwendung von Ätz- und Verdünnungszyklen erzeugt.

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf das Ätzen von tiefen Öff­ nungen mit hohem Seitenverhältnis (high aspect ratio) in ei­ nem Substrat während des Aufbaus von mikroelektronischen An­ ordnungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf das Ätzen von derartigen Öffnungen unter Anwendung eines Ätzver­ fahrens mit reaktiven Ionen in einem Plasmareaktor.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Die Herstellung von Öffnungen und Gräben mit hohem Sei­ tenverhältnis in einem Siliziumsubstrat ist auf verschiedenen Gebieten der Integrationsverarbeitung in sehr hohem Maßstab (ultra large scale integration (ULSI) processing) erwünscht. Gräben mit einem Verhältnis von Tiefe zu Weite von mehr als etwa 15 : 1 können als Gräben mit hohem Seitenverhältnis be­ trachtet werden, jedoch sind Gräben mit einem Seitenverhält­ nis von mehr als 40 : 1 gelegentlich erforderlich.
Plasmareaktoren werden üblicherweise verwendet, um Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis zu erzeugen, indem ein Ätzverfah­ ren mit reaktiven Ionen (RIE process) angewendet wird, bei welchem ein oder mehrere gasförmige Ätzmittel verwendet wer­ den, um gleichzeitig die Öffnung zu ätzen und einen Seiten­ wandpassivierungs-Niederschlag während des Ätzverfahrens zu erzeugen. Der Seitenwandpassivierungs-Niederschlag schützt die Seitenwände während des Ätzens und trägt dazu bei, das gewünschte Grabenprofil zu erhalten. Es ist jedoch bekannt, dass der Seitenwandpassivierungs-Niederschlag dazu neigt, ei­ ne Verdickung auf anderen Teilen des Substrats, der Maske und der Innenflächen des Plasmareaktors hervorzurufen.
Es ist ferner bekannt, dass das Seitenverhältnis der Öffnung eine wesentliche Einwirkung auf das Ätzverfahren haben kann. Bei Öffnungen mit sehr hohem Seitenverhältnis ist es insbe­ sondere schwierig, sie mit den gewünschten vertikalen glatten Wänden herzustellen, wenn man bekannte Ätzverfahren anwendet. Die Herstellung solcher Öffnungen in kostensparender Weise mit hohen Ätzraten und gutem Durchsatz ist für neuere Produk­ te wesentlich, bei denen die Öffnungen eine Weite von 0,135 µm oder weniger besitzen kann.
Eine bekannte Ätzzusammensetzung für Silizium, die einen Sei­ tenwandpassivierungs-Niederschlag erzeugt, umfasst Bromwas­ serstoff (HBr), Sauerstoff (O2) und eine Fluor enthaltende Verbindung, wie Schwefelhexafluorid (SF6) oder Stickstofftri­ fluorid (NF3). Ein Silizium enthaltendes Gas, wie Silan (SiH4) kann zugegeben werden, um den Siliziumgehalt zu erhö­ hen und das Absetzen des Passivierungsniederschlages zu verbessern, um die Seitenwände während des Ätzens der Tiefen­ öffnungen zu schützen.
US-Patent Nr. 6 127 278 beschreibt ein Verfahren, bei welchem ein erster Schritt des Ätzens unter Verwendung einer Mischung von HBr und O2 zur Erzeugung des Seitenwandpassivierungs- Niederschlages von einem zweiten Schritt zum Ätzen/Reinigen mit einer Mischung von HBr, O2 und SF6 gefolgt wird, um das Passivierungsmaterial von den Seitenwänden der Öffnung sowie von der Substratoberfläche und den Kammerwänden zu beseiti­ gen.
Es wird angenommen, dass eine Schwierigkeit bei früheren Ver­ fahren zur Erzeugung von Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis die übermäßige Ausbildung des Seitenwandpassivierungs- Niederschlages nahe dem oberen Teil der Öffnung ist. Diese Ausbildung schnürt das Eintreten von reaktiven Ätzio­ nen/Neutrals in die unteren Bereiche der Öffnung und verlang­ samt die Ätzrate beträchtlich. Vorgeschlagene Verfahren zum Steuern dieses Niederschlages haben jedoch stets erfordert, dass das Substrat körperlich aus dem Plasmareaktor herausge­ nommen wird oder dass das Ätzplasma abgeschaltet wird. Die für diese Verfahren erforderliche Zeit führt durchwegs zu ei­ nem verringerten Durchsatz. Diese Verfahren haben nicht nur erhöhte Verfahrensdauer und dadurch nachteilig herabgesetzten Durchsatz, sondern sie führen auch zu rauen oder abgestuften Wandflächen in der Öffnung infolge von beträchtlichen Ände­ rungen der Verfahrensparameter während des Ätzens.
Wenn man die Probleme und Nachteile des Standes der Technik bedenkt, ist es daher ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Ätzen von tiefen Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis in einem Substrat mit hoher durchschnittlicher Ätzrate und gutem Durchsatz zu schaffen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Ät­ zen von tiefen Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis in einem Substrat zu schaffen, bei welchem das Ätzen in einem einzigen Plasmareaktor vollständig durchgeführt werden kann, ohne das Substrat aus der Reaktorkammer herauszunehmen.
Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, das vom Seiten­ verhältnis abhängige Ätzverhalten während des Ätzens in Sili­ zium und anderen Halbleitermaterialien zu reduzieren.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Ätzen von tiefen Öffnungen mit hohem Seiten­ verhältnis in einem Substrat, bei welchem die Wände der Öff­ nungen glatt sind.
Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Ätzen von tiefen Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis in einem Substrat zu schaffen, bei welchem das Ätzplasma konti­ nuierlich aufrechterhalten wird.
Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Ätzen von Gräben zu schaffen, das die Grabenwandfläche vergrößert.
Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Aufbau von dynamic random access memory (DRAM)-Zellen und eingebetteten dynamic random access memory (e-DRAM)- Zellen zu schaffen, die eine erhöhte Kapazität durch Ätzen von tieferen Gräben besitzen.
Noch weitere Ziele und Vorteile der Erfindung sind offen­ sichtlich und gehen teilweise aus der Beschreibung hervor.
Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
Die obigen und andere Ziele und Vorteile, die dem Fachmann ersichtlich sind, werden durch die Erfindung erreicht, die in einem ersten Aspekt gerichtet ist auf ein Verfahren zum Ätzen einer tiefen Öffnung mit hohem Seitenverhältnis in einem Sub­ strat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Ätzen des Substrats mit einem ersten Plasma, das unter Verwendung einer ersten Gasmischung gebildet wird und ein Brom enthaltendes Gas, ein Sauerstoff enthaltendes Gas und ein erstes Fluor enthaltendes Gas umfasst und wobei der Ätz­ schritt gleichzeitig einen Seitenwandpassivierungs- Niederschlag erzeugt;
Verdünnen des Seitenwandpassivierungs-Niederschlages mit einem zweiten Plasma, das unter Verwendung einer zweiten Gas­ mischung gebildet wird, die ein nicht halogenierten Wasser­ stoff enthaltendes Gas und ein zweites Fluor enthaltendes Gas umfasst; und
Wiederholen der Schritte des Ätzens und Verdünnens zur Erzeugung einer gewünschten Tiefe der Öffnung.
Bei dem bevorzugten Verfahren wird das nicht halogenierten Wasserstoff enthaltende Gas aus der Gruppe gewählt, die aus Silanen und Ammoniak, am meisten bevorzugt einem Monosilan oder Disilan, besteht. Das Substrat bleibt in der gleichen Plasmakammer während der Zyklen des Ätzens und Verdünnens des Seitenwandpassivierungs-Niederschlages. Das Plasma wird kon­ tinuierlich aufrechterhalten, um eine glatte Seitenwand in­ nerhalb der Öffnung zu erzeugen und den Durchsatz hoch zu halten. Die Ätzrate kann während des Verdünnungsschrittes we­ sentlich verringert werden, auch wenn das Plasma kontinuier­ lich aufrechterhalten wird.
Der Schritt des Ätzens wird vorzugsweise in gleichbeabstande­ ten Zeitintervallen wiederholt, und der Schritt des Verdün­ nens des Seitenwandpassivierungs-Niederschlags wird ebenso in gleichbeabstandeten Zeitintervallen zwischen den gleich­ beabstandeten Ätzschritten wiederholt. Diese Abwechslung von Ätzen und Verdünnen wird wiederholt, bis die gewünschte Tiefe erreicht ist. Die Wiederholung kann nur zwei Zyklen oder so­ gar zwanzig oder mehr Zyklen umfassen, um die gewünschte Tie­ fe zu erreichen. Die Erfindung ist insbesondere brauchbar bei der Erzeugung von Öffnungen mit einem endgültigen Verhältnis von Tiefe zu Weite von 40 : 1 oder größer, jedoch können auch Öffnungen mit kleinerem Seitenverhältnis vorteilhaft unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet wer­ den.
Das Brom enthaltende Gas ist normalerweise HBr. Das erste und zweite Fluor enthaltende Gas ist normalerweise NF3, SF6, ele­ mentares Fluor oder eine Mischung derselben. Das Sauerstoff enthaltende Gas ist vorzugsweise O2 oder O2 vermischt mit He­ lium. Das nicht halogenierten Wasserstoff enthaltende Gas ist vorzugsweise ein Silan, wie Monosilan oder Disilan, oder Am­ moniak. Ein Brom enthaltendes Gas oder ein Sauerstoff enthal­ tendes Gas kann ebenfalls in die zweite Gasmischung während des Verdünnungsschrittes des Seitenwandpassierungs-Nieder­ schlages eingeschlossen werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Merkmale der Erfindung, die für neu gehalten werden, und die erfindungsgemäßen Merkmale werden insbesondere in den nachfolgenden Ansprüchen herausgestellt. Die Figuren dienen lediglich der Erläuterung und sind nicht maßstabsgerecht. Die Erfindung selbst, sowohl in ihrem Ablauf als auch im Hinblick auf den Betriebsablauf, lässt sich am Besten verstehen durch Bezugnahme auf die ausführliche Beschreibung, die nachfolgend in Verbindung mit den begleitenden Figuren gegeben wird. Es zeigen:
Fig. 1-4 schematische Darstellungen im Schnitt, wel­ che unterschiedliche Stufen des Ätzens von Gräben mit hohem Seitenverhältnis in ein Substrat nach dem erfindungsgemäßen Verfahren darstellen;
Fig. 1 das Substrat und eine gemusterte Hartmaske mit ei­ ner Öffnung, welche die Weite des aufzubauenden Grabens defi­ niert;
Fig. 2 den Graben nach Beendigung eines anfänglichen Ätz­ schritts, um den Graben auf eine Anfangstiefe zu bringen ge­ mäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Der durch das erfin­ dungsgemäße Verfahren gebildete Seitenwandpassivierungs- Niederschlag ist dargestellt. Der Seitenwandpassivierungs- Niederschlag hat begonnen, den oberen Teil des Grabens einzu­ engen und den Eintritt der Ätzmittel in den Graben einzu­ schnüren;
Fig. 3 den Graben gemäß Fig. 2 nach der Beendigung des er­ findungsgemäßen Verfahrensschrittes des Verdünnens des Sei­ tenwandpassivierungs-Niederschlages;
Fig. 4 den Graben nach Beendigung eines zweiten Ätz­ schrittes, um den Graben auf eine erhöhte Tiefe zu bringen. Wiederum hat der Seitenwandpassivierungs-Niederschlag, der durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgebildet worden ist, begonnen, den oberen Teil des Grabens einzuengen und den Ein­ tritt der Ätzmittel in den Graben einzuschnüren.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bei der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Fig. 1-4 der Zeichnung Bezug genom­ men, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale der Er­ findung bezeichnen. Merkmale der Erfindung sind nicht unbe­ dingt maßstäblich in den Figuren gezeigt.
Fig. 1 zeigt einen Wafer mit einem Substrat 10 und einen ge­ musterten Hartmaskenstapel 12 auf der oberen Fläche des Sub­ strats 10. Der Hartmaskenstapel enthält eine Öffnung 14, wel­ che die Breite einer Öffnung mit hohem Seitenverhältnis defi­ niert, die im Substrat 10 durch das erfindungsgemäße Verfah­ ren hergestellt werden soll.
Die Öffnung 14 wird im Hartmaskenstapel 12 in üblicher Weise hergestellt, und Fig. 1 zeigt den Wafer ohne das Resistmateri­ al. das zur Erzeugung der Öffnung 14 verwendet wird. Der Wa­ fer in Fig. 1 ist im Wesentlichen dargestellt, wie er vor dem Einsetzen in einem Plasmareaktor zum reaktiven Ionenätzen mit Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aussieht.
Der Hartmaskenstapel 12 umfasst eine Oxiddeckschicht 16. Die Oxiddeckschicht 16 ist vorzugsweise eine Plasma-verbesserte Tetraethoxysilan(PETEOS)-Schicht oder irgendeine ähnliche be­ kannte Oxiddeckschicht. Unter der Oxiddeckschicht 16 ist eine dotierte Oxidschicht 18, wie eine Borsilikatglas(BSG)- oder Borphosphorsilikatglas(PBSG)-Schicht. Unterhalb der dotierten Oxidschicht 18 ist ein Nitridanschlussfilm 20 und zuletzt ei­ ne dünne Oxidanschlussschicht 22 vorgesehen.
Der Fachmann wird erkennen, dass andere Arten von Hartmasken­ schichten ebenfalls in Verbindung mit der vorliegenden Erfin­ dung verwendet werden können, vorausgesetzt, dass sie die O­ berfläche des Substrats 10 während der nachfolgend beschrie­ benen Ätzschritte ausreichend maskieren. Das Substrat 10 ist üblicherweise Silizium, aber es können auch andere Substrat­ materialien geätzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt vorzugsweise mit einem ursprünglichen Oxiddurchbruchschritt, in welchem ein Wafer mit der gemusterten Hartmaske gemäß Fig. 1 in einen Plasma­ reaktor eingegeben und geätzt wird, um jegliches auf der O­ berfläche der offenen Siliziumbereiche ursprünglich vorhande­ nes Oxid zu entfernen. Der Zweck des anfänglichen Durchbruch- Verfahrensschrittes ist die Verhinderung der Ausbildung einer Mikromaske, die, wenn sie vorhanden ist, eine raue oder nar­ bige Siliziumoberfläche während des Grabenätzens hervorrufen würde. Der anfängliche Durchbruchschritt ändert das Aussehen des Wafers nicht wesentlich, jedoch kann, wie auf dem Boden der Öffnung 14 in Fig. 1 zu sehen ist, einiges Silizium im Substrat während dieses Schrittes leicht geätzt werden. Ein anfänglicher Durchbruch-Ätzschritt für ursprüngliches o­ der natives Oxid, der für diese Erfindung geeignet ist, um­ fasst die Ausbildung eines ersten Plasmas unter Verwendung einer ersten Gasmischung, die ein Brom enthaltendes Gas, ein Fluor enthaltendes Gas und ein Sauerstoff enthaltendes Gas umfasst. Das Brom enthaltende Gas ist vorzugsweise Bromwas­ serstoff (HBr) mit einer Gasströmungsrate von 100-300 sccm. Das Fluor enthaltende Gas ist vorzugsweise Stickstofftrifluo­ rid (NF3) mit einer Gasströmungsrate von 4-25 sccm. Das Sau­ erstoff enthaltende Gas ist vorzugsweise Sauerstoff (O2)oder eine Helium-Sauerstoff(He-O2)-Mischung mit einer Gasströ­ mungsrate von bis zu 25 sccm.
Andere Verfahrensparameter, die für den Durchbruchschritt ge­ eignet sind, sind: 500 Watt Hochfrequenzleistung, eine Wafer- Elektrodentemperatur im Bereich von 20-150°C, ein Waferrück­ seiten-Heliumdruck von 2-30 torr und ein Reaktordruck von 20-300 mtorr.
Nach der Reinigung der Substratoberfläche mit dem Durchbruch­ schritt wird die Öffnung 14 vertieft, indem eine Wiederho­ lungsfolge von Ätzschritten angewendet wird, und wobei jeder Ätzschritt einen Seitenwandpassivierungs-Niederschlag er­ zeugt, der in einem Verdünnungsschritt verdünnt wird, welcher im gleichen Plasmareaktor unter kontinuierlicher Aufrechter­ haltung des Plasmas durchgeführt wird.
Der anfängliche Ätzschritt nach dem Durchbruchschritt wird vorzugsweise unter Verwendung der gleichen oben beschriebenen Gasmischung durchgeführt, welche wenigstens ein Brom enthal­ tendes Gas, ein erstes Fluor enthaltendes Gas und ein Sauer­ stoff enthaltendes Gas umfasst. Es sind jedoch auch andere Brom, Fluor und/oder Sauerstoff enthaltende Gase bei der RIE- Bearbeitung brauchbar, die für das oben beschriebene HBr, NF3 und O2 gemäß bekannten Ätzverfahren substituiert werden kön­ nen, wenn gewünscht. Beispielsweise können Schwefelhexafluo­ rid (SF6), molekulares Fluor (F2) oder andere elektronegati­ ves Fluor enthaltende Gase für NF3 substituiert werden. Die gleichen Verfahrensbedingungen, die oben für den Durchbruch­ schritt beschrieben wurden, können bei diesem ersten Ätz­ schritt angewendet werden, mit der Ausnahme, dass die Hoch­ frequenzleistung nun verändert werden kann, und zwar vorzugs­ weise erhöht. Ein geeigneter Bereich für die Leistung beim Ätzschritt liegt von 200-3000 Watt.
Die Ergebnisse des anfänglichen Ätzschrittes sind in Fig. 2 gezeigt. Wie ersichtlich, erzeugt der anfängliche Ätzschritt einen Seitenwandpassivierungs-Niederschlag 24, der die Sei­ tenwände während des Ätzverfahrens schützt. Der Seitenwand­ passivierungs-Niederschlag bildet sich jedoch auch an der Öffnung 14 und schnürt eventuell die Weite dieser Öffnung bei der Hartmaske 12 ein, insbesondere den Bereich, der mit dem Bezugszeichen 26 angedeutet ist. Bei Fortschreiten des Ätz­ schrittes wird es zunehmend schwieriger für die reaktiven Ätz-Ionen durch die verengte Öffnung bei 26 zu strömen und die freiliegende Siliziumsubstratoberfläche am Boden zu er­ reichen.
Wenn die Ätzrate auf einen unannehmbaren Wert gesunken ist, wird der anfängliche Ätzschritt abgestoppt und der überschüs­ sige Seitenwandpassivierungs-Niederschlag 24 wird in einem Verdünnungsschritt teilweise oder vollständig beseitigt. Der anfängliche Ätzschritt wird normalerweise fortgesetzt, bis die Öffnung 14 5-50% der gewünschten Endtiefe erreicht hat. Dementsprechend finden wenigstens zwei Ätzschritte der oben beschriebenen Art statt und es können auch zwanzig oder mehr Ätzschritte stattfinden, um Öffnungen und Gräben mit sehr ho­ hem Seitenverhältnis zu erzeugen.
Nach der Beendigung jedes Ätzschrittes wird der Seitenwand­ passivierungs-Niederschlag verdünnt oder beseitigt mit einem zweiten Plasma, das unter Verwendung einer zweiten Gasmi­ schung gebildet wird, welche wenigstens ein nichthalogenier­ tes, Wasserstoff enthaltendes Gas und ein zweites Fluor ent­ haltendes Gas enthält. Das zweite Fluor enthaltende Gas kann oder kann auch nicht das gleiche Gas sein, das beim anfängli­ chen Ätzschritt verwendet wird. Normalerweise werden Schwe­ felhexafluorid (SF6), Stickstofftrifluorid (NF3) oder moleku­ lares Fluor (F2) für das Fluor enthaltende Gas verwendet. An­ dere Fluor enthaltende elektronegative Gase können dafür sub­ stituiert werden.
Das nichthalogenierten Wasserstoff enthaltende Gas ist vor­ zugsweise Silan SiH4, jedoch können auch andere Gase, wie Am­ moniak (NH3) verwendet werden. Das Silan kann ein Monosilan oder ein Disilan sein und wird vorzugsweise mit Helium vorge­ mischt. Sauerstoff (O2), eine vorbestimmte Mischung von Heli­ um und Sauerstoff oder andere bekannte, Sauerstoff enthalten­ de Gase können ebenfalls verwendet werden.
Zusätzlich kann ein Brom enthaltendes Gas, wie HBr, wahlweise während des Verdünnungsschrittes verwendet werden. Wenn ein Brom enthaltendes Gas während des Verdünnungsschrittes ver­ wendet wird, wird bevorzugt, dass es bei einer verringerten Strömungsrate im Vergleich zu der Strömungsrate des Brom ent­ haltenden Gases verwendet wird, das während des Ätzschrittes verwendet wird.
Geeignete Verfahrensparameter für den Verdünnungsschritt sind eine Waferelektrodentemperatur von 20-250°C, ein Waferrück­ seiten-Heliumdruck von 2-30 torr und ein Reaktordruck von 20-300 mtorr. Ein Beispiel für geeignete Gase und Strömungsraten für den Verdünnungsschritt sind bis zu 250 sccm Silan, vorge­ mischt mit Helium, bis zu 25 sccm SF6 und wahlweise 0-5 sccm O2 oder HeO2 und 0-100 sccm HBr. Die Hochfrequenzleistung kann zwischen 200 und 3000 Watt liegen. Der Seitenwandnieder­ schlag-Verdünnungsschritt läuft normalerweise über 5-50% der Dauer des vorangehenden Ätzschrittes.
Obwohl die Erfindung nicht auf irgendeine Theorie der Wir­ kungsweise eingeschränkt werden soll, wird angenommen, dass die Mischung des Fluor enthaltenden Gases und des nicht halo­ genierten Wasserstoff enthaltenden Gases Fluorwasserstoff (HF) in der Plasmaphase bildet, welches die Dicke des Seiten­ wandpassivierungs-Niederschlages verringert. Die Ergebnisse eines typischen Verdünnungsschrittes sind in Fig. 3 darge­ stellt.
Während des Verdünnungsschrittes kann eine gewisse Ätzung fortgesetzt werden, die Ätzrate ist jedoch wesentlich herab­ gesetzt im Vergleich zu der Ätzrate während des Ätzschrittes infolge der Verringerung der Strömungsrate des Brom enthal­ tenden Gases auf Null oder auf eine Rate unterhalb der Strö­ mungsrate, die während des Ätzschrittes verwendet wird.
Es wird bemerkt, dass alle beschriebenen Schritte in der gleichen Reaktorkammer stattgefunden haben. Dies ermöglicht, dass das Plasma während des Durchbruchschrittes, des anfäng­ lichen Ätzschrittes, des ersten Verdünnungsschrittes und je­ des nachfolgenden Zyklus von Ätzen und Verdünnen kontinuier­ lich aufrechterhalten werden kann. Infolge dessen wird der Durchsatz stark erhöht im Vergleich mit bekannten Verfahren, die ein Herausnehmen des Wafers aus der Reaktorkammer erfor­ dern.
Nach Beendigung des ersten Verdünnungsschrittes wird ein zweiter Ätzschritt durchgeführt, indem die vorher beschriebe­ ne erste Gasmischung mit den gleichen Verfahrensparametern für die oben beschriebene Ätzung verwendet wird. Die Strö­ mungsraten und der Kammerdruck sind die gleichen, wie beim Durchbruchschritt beschrieben, und die Wafertemperatur und die angewendete Hochfrequenzleistung sind die gleichen wie beim anfänglichen Ätzschritt beschrieben.
Fig. 4 zeigt die Öffnung beim Schluss des zweiten Ätzschrit­ tes. Wie aus einem Vergleich der Fig. 2, 3 und 4 ersicht­ lich ist, hat der Verdünnungsschritt den oberen Bereich des Grabens in dem mit 28 bezeichneten Bereich geöffnet und der zweite Ätzschritt hat wiederum die Öffnung in dem mit 30 be­ zeichneten Bereich stark verengt. Daher verlangsamt die Ver­ dickung des Seitenwandniederschlages nahe dem oberen Ende der Öffnung die Ätzrate während jedes Ätzschrittes. Infolgedessen wird der Schritt des Verdünnens des Seitenwandpassivierungs- Niederschlages in der oben beschriebenen Weise nach der Been­ digung jedes Ätzschrittes wiederholt.
Der Zyklus des Ätzens, gefolgt von der Verdünnung wird wie­ derholt, bis die gewünschte Tiefe für die Öffnung 14 erreicht ist. Die wiederholten Ätz- und Verdünnungsschritte erzeugen Öffnungen mit sauberen vertikalen Seiten, die ein hohes Sei­ tenverhältnis besitzen. Öffnungen mit einem Seitenverhältnis von 15 : 1 bis 40 : 1 oder darüber lassen sich mit diesem Verfah­ ren leicht herstellen. Das Verfahren ist zur Erzeugung von tiefen Gräben mit hohem Seitenverhältnis und Öffnungen mit einer Breite von weniger als 0,135 µm geeignet.
Die Dauer des Ätz- und Verdünnungsschrittes kann auf maxima­ len Durchsatz eingestellt werden. Bei einer typischen Durch­ führung dieses Verfahrens liegt die Ätzzeit für jeden Zyklus innerhalb des Bereiches von 1-5 Minuten, und der Verdünnungs­ schritt erhöht die Zeit für jeden vollständigen Ätz- und Ver­ dünnungszyklus um 5-50%. Der Ätz- und Verdünnungsschritt wird vorzugsweise in Zeitintervallen von gleichem Abstand wieder­ holt, obwohl dies für die Erfindung nicht wesentlich ist.
Die Erfindung wurde zwar insbesondere in Verbindung mit einer besonders bevorzugten Ausführungsform beschrieben, es ist je­ doch klar, dass viele Alternativen, Modifikationen und Abän­ derungen für den Fachmann im Licht der obigen Beschreibung möglich sind. Es wird daher angenommen, dass die nachfolgen­ den Ansprüche alle diese Alternativen, Modifikationen und Ab­ änderungen derart umfassen, dass diese in den Umfang und Geist der Erfindung fallen.

Claims (20)

1. Verfahren zum Ätzen einer Öffnung mit hohem Seitenver­ hältnis in einem Substrat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Ätzen des Substrats mit einem ersten Plasma, das unter Verwendung einer ersten Gasmischung gebildet wird und ein Brom enthaltendes Gas, ein Sauerstoff enthaltendes Gas und ein erstes Fluor enthaltendes Gas umfasst und wobei der Ätz­ schritt gleichzeitig einen Seitenwandpassivierungs-Nieder­ schlag erzeugt;
Verdünnen des Seitenwandpassivierungs-Niederschlages mit einem zweiten Plasma, das unter Verwendung einer zweiten Gas­ mischung gebildet wird, die ein nicht halogenierten Wasser­ stoff enthaltendes Gas und ein zweites Fluor enthaltendes Gas umfasst; und
Wiederholen der Schritte des Ätzens und Verdünnens zur Erzeugung einer gewünschten Tiefe der Öffnung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das nicht haloge­ nierten Wasserstoff enthaltende Gas aus der Gruppe gewählt wird, die aus Silanen und Ammoniak besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das nicht haloge­ nierten Wasserstoff enthaltende Gas Monosilan oder Disilan ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die zweite Gasmi­ schung auch ein Brom enthaltendes Gas umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das Brom enthal­ tende Gas für die zweite Gasmischung während des Verdünnungs­ schrittes mit einer Strömungsrate vorgesehen wird, die gerin­ ger ist als die Strömungsrate des Brom enthaltenden Gases, die für die erste Gasmischung während des Ätzschrittes vorge­ sehen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die zweite Gasmi­ schung auch ein Sauerstoff enthaltendes Gas umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Ätzens in gleichbeabstandeten Zeitintervallen durchgeführt wird, und der Schritt des Verdünnens des Seitenwandpassivie­ rungs-Niederschlages ebenfalls in gleichbeabstandeten Zeitin­ tervallen zwischen den gleichbeabstandeten Ätzschritten wie­ derholt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Brom enthal­ tende Gas in der ersten Gasmischung HBr ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das erste und zweite Fluor enthaltende Gas aus der Gruppe gewählt wird, die aus NF3, SF6, elementarem Fluor und Mischungen derselben be­ steht.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das erste und zweite Fluor enthaltende Gas NF3 ist.
11. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Schritte des Ätzens und Verdünnens des Seitenwandpassivierungs-Nieder­ schlages wenigstens zweimal wiederholt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Ätz- und Ver­ dünnungsschritt in einem einzigen Plasmareaktor ohne Heraus­ nehmen des Substrats aus dem Plasmareaktor durchgeführt wer­ den.
13. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Schritte des Ätzens und Verdünnens wiederholt werden, bis die Öffnung eine Tiefe von wenigstens dem 15-fachen der Weite der Öffnung be­ sitzt.
14. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Schritte des Ätzens und Verdünnens wiederholt werden, bis die Öffnung eine Tiefe von wenigstens dem 40-fachen der Weite der Öffnung be­ sitzt.
15. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Brom enthal­ tende Gas im Schritt des Ätzens des Substrats HBr ist, und der Schritt des Ätzens des Substrats einschließt, dass das HBr-Gas mit einer Strömungsrate von 100-300 sccm vorgesehen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das erste Fluor enthaltende Gas im Schritt des Ätzens des Substrats NF3 ist, und der Schritt des Ätzens des Substrats einschließt, dass das NF3-Gas mit einer Strömungsrate von 4-25 sccm vorgesehen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Sauerstoff enthaltende Gas im Schritt des Ätzens des Substrats O2 oder O2 vermischt mit Helium ist, und der Schritt des Ätzens des Substrats einschließt, dass das Sauerstoff enthaltende Gas mit einer Strömungsrate von bis zu 25 sccm vorgesehen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das zweite Fluor enthaltende Gas im Schritt des Verdünnens des Seitenwandpas­ sivierungs-Niederschlages SF6 ist, und der Schritt des Ver­ dünnens des Seitenwandpassivierungs-Niederschlages ein­ schließt, dass das zweite Fluor enthaltende Gas mit einer Strömungsrate von bis zu 25 sccm vorgesehen wird.
19. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das nicht haloge­ nierten Wasserstoff enthaltende Gas im Schritt des Verdünnens des Seitenwandpassivierungs-Niederschlages Silan ist, und der Schritt des Verdünnens des Seitenwandpassivierungs-Nieder­ schlages einschließt, dass das Silan mit einer Strömungsrate von bis zu 250 sccm vorgesehen wird.
20. Verfahren zum Ätzen einer Öffnung mit hohem Seitenver­ hältnis in einem Substrat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Ätzen des Substrats mit einem ersten Plasma, das unter Verwendung einer ersten Gasmischung gebildet wird, die ein Brom enthaltendes Gas, ein Sauerstoff enthaltendes Gas und ein erstes Fluor enthaltendes Gas umfasst, welche aus der Gruppe gewählt sind, die aus NF3, SF6, elementarem Fluor und Mischungen derselben besteht, und der Ätzschritt gleichzeitig einen Seitenwandpassivierungs-Niederschlag erzeugt;
Verdünnen des Seitenwandpassivierungs-Niederschlages mit einem zweiten Plasma, das unter Verwendung einer zweiten Gas­ mischung gebildet wird, die ein nicht halogenierten Wasser­ stoff enthaltendes Gas umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Silan und Ammoniak besteht, ein zweites Fluor enthaltendes Gas, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus NF3, SF6, elementarem Fluor und Mischungen derselben besteht, und wenigstens ein zusätzliches Gas umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem Brom enthaltenden Gas und einem Sauerstoff enthaltendem Gas besteht;
und Wiederholen der Schritte des Ätzens und Verdünnens zur Erzeugung einer gewünschten Tiefe für die Öffnung.
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