DE10344351A1

DE10344351A1 - Verfahren zum anisotropen Ätzen von Silizium

Info

Publication number: DE10344351A1
Application number: DE10344351A
Authority: DE
Inventors: Kevin Huang; Kristin Schupke
Original assignee: Infineon Technologies AG; Nanya Technology Corp
Current assignee: Qimonda AG; Nanya Technology Corp
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2005-05-19
Also published as: TW200520088A; US7479461B2; TWI260708B; US20050079714A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum anisotropen Ätzen von Silizium bereit unter Verwendung einer Lösung, die NH¶4¶F und HF enthält.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zusammensetzung zum anisotropen Ätzen von Silizium.
In der Halbleitertechnologie müssen die Materialien wie zum Beispiel Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄), Polysilizium, Silizium, Aluminium und andere Materialien geätzt werden, um ein strukturiertes Substrat zu erhalten, das anschließend weiterbehandelt werden kann. Der Zweck des Ätzens eines Substrats ist, ein oder mehrere Materialien abzutragen oder das lithografische Muster in die Substratschichten zu übertragen. Der Ätzschritt sollte selektiv erfolgen, das heißt nur ein Material soll geätzt werden, auch wenn eine Vielzahl von Materialien anwesend sein kann.
Es gibt eine Vielzahl von Methoden, die zu Zwecken des Ätzens verschiedener Materialien verwendet werden können und all diese Methoden können aufgeteilt werden in eine der zwei Kategorien, nämlich entweder in Trockenätzprozesse oder Nassätzprozesse.
Bei den Nassätzprozessen wird das feste Material in die Lösung durch Anwendung von säurehaltigen bzw. laugehaltigen Lösungen übergehen. Eine Ätzlösung kann entweder isotropisch oder anisotropisch mit dem Substrat reagieren. Eine isotropische Ätzlösung ätzt dabei das Material in allen Richtungen, wobei eine anisotropische Ätzlösung das Material nur in eine Richtung ätzt, nämlich 90 Grad zur Substratoberfläche.
Es gibt eine Vielzahl von Lösungen, die in der Halbleitertechnologie verwendet werden können, die einerseits sich in der Konzentration und der vorhandenen Zusammensetzungen unterscheiden und andererseits in Bezug auf die Materialien, die geätzt werden sollen.

Beim Ätzen von Silizium zum Beispiel, gibt es Lösungen, die das Silizium isotropisch ätzen und manche, die eine Präferenz für eine der kristallografischen Schichten des Siliziumkristalls aufweisen. Nur wenn eine Präferenz für eine der Schichten vorliegt, kann das anisotropische Ätzen stattfinden. Eine Lösung, die besonders bevorzugt zum Ätzen von Silizium verwendet wird, ist Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH), wobei diese Lösung eine sehr niedrige Selektivität für die verschiedenen kristallografischen Schichten des Siliziums aufweist.

Es gibt aber verschiedene Lösungen, die verwendet werden können, um Silizium anisotropisch zu ätzen. Die meistverwendeten Lösungen sind basisch und weisen zum Beispiel KOH, NaOH, LiOH oder eine Mischung aus Ethylendiamin mit weiteren Komponenten (EDP-Lösung) auf.

Wenn Silizium und Siliziumoxid anwesend sind auf einem Substrat, und wenn beide Materialien geätzt werden sollen, wobei Silizium anisotropisch geätzt werden muss, wird üblicherweise ein Zweischrittprozess verwendet.

In dem ersten Schritt wird die Siliziumschicht mit Lösungen wie zum Beispiel KOH, NH₄OH, TMAH oder Cholin geätzt, da diese Lösungen einerseits sehr hohe Ätzraten in Bezug auf Silizium aufweisen und andererseits eine hohe Selektivität in Bezug auf das Oxid, d.h. Siliziumoxid wird im Idealfall nicht angegriffen. Im zweiten Schritt wird die Siliziumoxidschicht unter Verwendung von HF, das üblicherweise zusammen mit NH₄F in einer gepufferten Lösung vorliegt, geätzt. In der Halbleitertechnologie gibt es verschiedene Methoden, eine Schicht aus Siliziumdioxid herzustellen. Die Siliziumdioxidschicht kann zum Beispiel durch thermische Oxidation von Silizium (thermisches Oxid) oder durch Abscheidung von Siliziumdioxid unter Verwendung von Chemical Vapor Deposition (CVD)-Prozess hergestellt werden. Abhängig von der Methode zur Herstellung von Oxidschichten, unterscheiden sich diese Schichten in deren chemischen und mechanischen Eigenschaften. Das thermische Oxid kann zum Beispiel mit einer Lösung, die NH₄F/HF/H₂O im Verhältnis zu 2:1:7 aufweist mit einer Ätzrate von 50 nm/min geätzt werden, wobei TEOS-Oxid mit derselben Lösung mit einer höheren Ätzrate von ungefähr 150 nm/min geätzt wird. Die Lösung, die NH₄F/HF/H₂O aufweist, ist dafür bekannt, dass sie beim Ätzen von Siliziumoxid ein hohes Selektivitätsverhältnis von 100:1 in Bezug auf Silizium aufweist. Das bedeutet, dass die Siliziumdioxidschicht 100 Mal schneller geätzt wird als die Siliziumschicht.

Die Verwendung der Chemikalien im Zweischrittprozess, wie oben beschrieben, ist allerdings nur in geschlossenen Einrichtungen möglich (point of use tasks) aufgrund der ersten HF-Schritte um das native oder thermale Oxid zu entfernen. Des Weiteren weist die Sequenz mit zwei chemischen Behältern Nachteile in Bezug auf das Benetzungsverhalten auf sowie in der Tatsache, dass die Reaktionen stattfinden, bei denen ein Gas entsteht (H₂). Bei den Ätzprozessen sollte nämlich kein Gas entstehen, da die entstandenen Blasen zum unregelmäßigen Ätzen eines Materials führen können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Ätzen von Siliziumoxid und Siliziumschichten gleichzeitig bereitzustellen, wobei die Siliziumschicht anisotropisch geätzt wird.

Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum gleichzeitigen Ätzen von Silizium und Siliziumoxidschicht(en) bereitgestellt, wobei Silizium anisotropisch geätzt wird, unter Verwendung einer Lösung, die NH₄F und HF aufweist. Durch die Verwendung dieser sehr stark gepufferten Lösung, die herkömmlicherweise als "BOE" (buffered oxide etch) oder "BHF" bezeichnet wird, ist es möglich, Silizium anisotropisch in einem Tauchschritt zu ätzen, ohne dass es notwendig ist, Siliziumoxid in einem getrennten Schritt zu behandeln. Es ist dadurch möglich, in einem einzigen Umlaufbehälter und mit einer Schrittsequenz den Prozess durchzuführen.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass sie die Verwendung der herkömmlichen Nassätzbänke mit Umlaufbehälter zum Ätzen von Siliziumoxid und Siliziumschichten ermöglicht. Die Prozessschrittfolge beinhaltet lediglich einen chemischen Schritt mit dem anschließenden Spül- und Trockenschritt. Alle Prozessparameter, die für BOE bekannt sind, wie zum Beispiel Temperatur, Ätzzeit und die Umlaufgeschwindigkeit, sind frei wählbar und können dem zu erzielenden Ergebnis angepasst werden. Im Vergleich zu schon beschriebenen Chemikalien ist der erste HF-Schritt nicht notwendig, wegen des Nassätzverhaltens von BOE, das nicht selektiv in Bezug auf das Oxid ist. Das Nässverhalten der Si-Oberfläche kann zusätzlich durch einen Benetzungsschritt als ersten Schritt verbessert werden, der durch das Eintauchen des Wafers in deionisiertem Wasser im Spülbehälter stattfinden kann.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform, die Zusammensetzung der BOE-Lösung ist ungefähr 40 Gew.-% NH₄F und weniger als 0,1 Gew.-% HF, wobei der Rest Wasser ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, ist die Ätzrate des Siliziums ungefähr 5 nm/min in Bezug auf die <100> kristallografische Schicht von Silizium. Die Ätzraten sind nicht nur durch die Temperatur bei der das Ätzen stattfindet beeinflussbar, sondern auch durch die Zusammensetzung der Materialien und durch die Geometrie des Substrats. Z. B. ist bei Deep Trenches (tiefen Gräben) die Ätzrate für die Siliziumschicht ungefähr 2,5 nm/min, da das Ätzen durch die Diffusion der reaktiven Spezien bestimmt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Siliziumoxidschicht eine thermische Siliziumoxidschicht. Solche Schichten können durch Behandlung von Silizium mit Sauerstoff bei erhöhten Temperaturen hergestellt werden, wobei die Temperatur üblicherweise zwischen 700 und 1200°C liegt. Die Ätzrate eines solchen thermischen Oxids ist ungefähr 2 nm/min bei Raumtemperatur.
Die bevorzugte Temperatur, bei der das Verfahren der vorliegenden Erfindung stattfindet, ist ungefähr zwischen 20 und 40°C und noch bevorzugter ist als Temperatur für das vorliegende Verfahren Raumtemperatur. Das Ätzen ist aber nicht auf den bevorzugten Temperaturbereich beschränkt und kann in bestimmten Fällen stattfinden sowohl bei einer höheren als auch bei einer niedrigeren Temperatur.
Vorzugsweise sind weitere Komponenten nicht anwesend in der erfindungsgemäßen Lösung, aber falls notwendig, können Hilfsmittel zugesetzt werden. Ein Hilfsmittel ist zum Beispiel Benetzungsagens, das der Lösung zugegeben werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist aber die Siliziumoberfläche einem Benetzungsschritt vor dem Ätzen unterzogen worden.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Ätzen von Silizium und Siliziumoxidschichten wird vorzugsweise in einem Prozess zur Herstellung von Deep Trench Kondensatoren (Grabenkondensatoren) verwendet. In diesem Prozess werden beide Siliziumschichten und Siliziumoxidschichten mit derselben Ätzgeschwindigkeit von ungefähr 2,5 nm/min geätzt.
Da die Ätzraten von Silizium und Siliziumoxid in ungefähr demselben Bereich liegen, wenn BEO verwendet wird, gibt es beinahe keine Selektivität zwischen den Si- und SiO₂-Schichten.
Des weiteren stellt die vorliegende Erfindung eine neue Verwendung von BOE zum anisotropen Ätzen von Siliziumschichten bereit, auch wenn keine SiO₂-Schichten anwesend sind. Die Stabilität des gepufferten Systems der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Ätzraten, Uniformität und Badhaltbarkeit zum Entfernen von Oxid ist zwar bekannt aber nicht die Verwendung von BOE zum anisotropen Nassätzen.

Claims

Verfahren zum Ätzen von Silizium und Siliziumoxidschichten gleichzeitig, gekennzeichnet durch die Verwendung einer NH₄F und HF enthaltenden Lösung, wobei die Siliziumschicht anisotropisch geätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Lösung 40 Gew.-% NH₄F und weniger als 0,1 Gew.-% HF aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzrate des Siliziums ungefähr 2,5 bis 5 nm/min bei Raumtemperatur beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumoxidschicht eine thermische Oxidschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzrate von thermischem Siliziumdioxid ungefähr 2 nm/min bei Raumtemperatur beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturbereich in dem das Ätzen stattfindet, ungefähr zwischen 20 bis 40°C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Benetzungsschritt, der vor dem Ätzen stattfindet.
Verfahren zur Strukturierung von tiefen Gräben, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumdioxid und Siliziumschichten gleichzeitig unter Verwendung einer NH₄F und HF enthaltenden Lösung geätzt werden, wobei die Siliziumschicht anisotropisch geätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung ungefähr 40 Gew.-% NH₄F und weniger als 0,1 Gew.-% HF enthält.
Verwendung einer NH₄F und HF enthaltenden Lösung zum anisotropen Ätzen von Silizium.
Verwendung nach Anspruch 10, wobei die Lösung 40 Gew.-% NH₄F und weniger als 0,1 Gew.-% HF enthält.
Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzrate der <100>-Siliziumschicht zwischen 2 und 5 nm/min bei Raumtemperatur beträgt.