DE10358025A1 - Verfahren zum Ätzen von Wolfram mit einer kontrollierten Seitenwandpassivierung und mit hoher Selektivität zu Polysilizium - Google Patents
Verfahren zum Ätzen von Wolfram mit einer kontrollierten Seitenwandpassivierung und mit hoher Selektivität zu Polysilizium Download PDFInfo
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Abstract
In einem Ätzprozessschritt zum Ätzen von Wolfram wird ein Gasgemisch verwendet, das NF¶3¶, HBr und O¶2¶ enthält. Dadurch kann unabhängig voneinander die Seitenwandpassivierung der Wolfram-Strukturen und die Selektivität zu Polysilizium kontrolliert werden.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Ätzprozess bei der Herstellung von Halbleitern, und insbesondere einen Ätzprozess zum Ätzen von Halbleitersubstraten, die gleichzeitig Wolfram und Polysilizium aufweisen.
- In der Halbleitertechnologie dient die Ätztechnik zum ganzflächigen Abtragen eines Materials oder zum Übertragen der Struktur des lithografisch erzeugten Lackmusters in die darunter liegende Schicht.
- Der Ätzprozess kann entweder isotrop oder anisotrop erfolgen. Die isotropen Ätzprozesse tragen Material richtungsunabhängig ab, während in den anisotropen Ätzprozessen das Material in einer Vorzugsrichtung, in der Regel senkrecht zur Oberfläche, abgetragen wird. Die Ätzprozesse können in zwei grobe Klassen aufgeteilt werden, nämlich in die nass-chemischen Ätzprozesse und in die Trockenätzprozesse.
- Das Trockenätzverfahren erlaubt eine gut reproduzierbare, homogene Ätzung vieler Materialien in der Silizium-Halbleitertechnologie und ist in der Regel anisotrop. Im Trockenätzverfahren werden Gase verwendet, die durch eine Gasentladung im hochfrequenten Wechselfeld angeregt werden, um Plasmateilchen zu erzeugen. Die verwendeten Gase können entweder mit dem abzutragenden Material reagieren, so dass ein chemischer Materialabtrag stattfindet, oder die Teilchen des abzutragenden Materials werden rein physikalisch durch die hochgeladenen Gasteilchen aus dem Halbleitersubstrat herausgelöst. Das Ätzprofil und die Selektivität kann daher über Hochfrequenzleistung, Druck, Gasart und Gasdurchfluss sowie die Wafertemperatur eingestellt werden.
- Bei der W-Ätzung sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. In einem Verfahren wird SF6-Gas bei einer niedrigeren Temperatur verwendet, wobei sich eine leicht flüchtige WF6-Verbindung bildet. Bei diesem Verfahren können relativ hohe Ätzraten erzielt werden, die zwischen 400 bis 600 nm/min liegen. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass keine Selektivität zum Polysilizium vorhanden ist.
-
US 6,576,152 B2 schlägt deshalb vor, eine Gasmischung aus O2-Gas und einem weiteren Gas, das mindestens Kohlenstoff und Fluor enthält, zum Ätzen von Wolfram zu verwenden. Der Zweck des kohlenstoff- und fluorhaltigen Gases ist, die vertikale Konfiguration von Wolfram-Strukturen zu erzielen. Es ist nämlich bekannt, dass die Verwendung von fluorsubstituierten Kohlenwasserstoffen ein anisotropes Ätzen ermöglicht, da während des Ätzprozesses fluorhaltige Kohlenwasserstoffpolymere gebildet werden und dadurch eine Seitenwandpassivierung erzielt wird. Der Zweck der O2-Komponente im Gasgemisch gemäßUS 6,576,152 ist die Selektivität gegenüber Polysilizium zu erhöhen. Als eine weitere Komponente im Gasgemische gemäßUS 6,576,152 kann N2 verwendet werden. Die Verwendung von HBr ist gemäßUS 6,576,152 nicht empfehlenswert, da WBrx nicht flüchtig genug sind um ein effektives Ätzen zu erzielen. Als eine weitere Komponente sind halogenhaltige Gase, wie z. B. Cl2, HCl und HBr erwähnt. Der Zweck der halogenhaltigen Gase ist, die Ätzrate zu erhöhen, während der anisotropische Faktor zum Ätzen von Wolfram erhalten bleibt. - Der Nachteil dieser Methode ist, dass es nicht möglich ist, den Winkel der Seitenwand der Wolfram-Struktur und die Selektivität zu Polysilizium unabhängig voneinander zu kontrollieren.
- Die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ist, ein Verfahren zum Ätzen von Wolfram bereitzustellen, das einerseits eine sehr gute Kontrolle des Winkels der Seitenwand ermöglicht und andererseits eine sehr hohe Selektivität zu Polysilizium aufweist. Die Aufgabe wird durch ein Gasgemisch enthaltend NF3, HBr und O2 gelöst. Durch die Variierung von Parametern wie z. B. Gasdruck, Gasfluss und Zusammensetzung ist es möglich, Wolfram-Strukturen zu erzeugen, die einen scharfen Übergang in das Silizium aufweisen und einen Winkel von 90° haben. Des Weiteren weist das erfindungsgemäße Verfahren eine höhere Selektivität zu Polysilizium auf als die Verfahren gemäß dem Stand der Technik.
- Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann die Gasmischung so eingestellt werden, dass das Ätzen der Wolfram-Struktur einen hohen Grad von Anisotropie zeigt.
- Ein sehr großer Vorteil der Erfindung ist, dass keine fluorsubstituierten Kohlenwasserstoffe oder Stickstoff notwendig sind, um die Seitenwandpassivierung zu erreichen, da die Kontrolle des Seitenwandwinkels durch die Verwendung von Stickstoff (N2) oder polymerisierbaren Gasen, wie zum Beispiel chlorsubstituierten Kohlenwasserstoffen, sehr oft zu nicht reproduzierbaren Ergebnissen führt, wenn Wolfram und Polysiliziumschichten gleichzeitig auf einem Substrat vorliegen.
- Das erfindungsgemäße Gemisch zum Ätzen von Wolfram-Strukturen, kann falls gewünscht mit einem Inertgas verdünnt werden. Als Inertgas eignet sich vorzugsweise Helium.
- Das Gasgemisch kann verschiedene Verhältnisse von NF3/HBr/O2 aufweisen, wobei vorzugsweise NF3:HBr:O2 im Bereich von 4-6:3-8:2-10 liegen. Falls ein Inertgas, wie zum Beispiel Helium anwesend ist, ist das Verhältnis der Gase 4-6(NF3):3-5(HBr):2-4(O2): 8-10(He).
- Das Verfahren wird vorzugsweise bei einem Druck von 2 bis 20 mTorr durchgeführt. Es ist besonders bevorzugt, dass der Druck zwischen 3 bis 10 mTorr beträgt.
- Erfindungsgemäß findet das Ätzen bei einer Temperatur zwischen 30° C und 70° C statt.
- Die Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:
-
1 Ein Substrat, das mit dem erfindungsgemäßen Gemisch geätzt wird. -
2 Die in der1 gezeichnete Struktur, die mit dem erfindungsgemäßen Gemisch geätzt wurde, allerdings mit höherem Anteil von O2 als in1 ; -
3 Die in der1 gezeichnete Struktur, die mit einem Gemisch ohne HBr geätzt wurde. - Das in der
1 gezeichnete Substrat weist folgende Schichten auf: eine erste Schicht aus Polysilizium, eine darauf angeordnete dünne Schicht aus Wolframnitrid, eine darauf angeordnete Schicht aus Wolfram und eine Schicht aus Siliziumnitrid. Die Stärken der Schichten sind ungefähr 80 nm (Poly-Si), 5 nm (WxNy) und 35 nm (W). Die Schicht aus Siliziumnitrid dient als Maske. - Wie in der
1 gezeichnet, kann das Substrat mit einem Gasgemisch aus NF3, HBr, O2 und gegebenenfalls He geätzt werden. Die Anteile an jeweiligen Gasen betragen in diesem Beispiel 50:40:30:90 sccm. Der Druck ist ungefähr 5 mTorr, die induktiv eingekoppelte Leistung 300 W und die Kapazitiv-Leistung 100 W. Die Leistung hängt sehr von dem verwendeten Substrat und von den anderen Bedingungen ab. - In
2 waren alle Bedingungen beim Ätzen identisch mit den in1 genannten, aufler dass der Anteil an O2 60 sccm statt 30 sccm war. Es ist ersichtlich, dass durch die Erhöhung des O2-Anteils das Profil im Wesentlichen identisch geblieben ist, allerdings hat sich die Selektivität zu Polysilizium von 1,3 zu 1 auf 2,5 zu 1 erhöht. - In
3 wurde ein Gasgemisch aus 50 NF3, 30 O2 und 90 He mit demselben Druck und derselben Leistung wie in den1 und2 angegeben verwendet. Der Unterschied zu dem in den1 und2 verwendeten Gemisch ist, dass das Gemisch gemäß3 kein HBr aufwies. Es ist ersichtlich, dass ein Underetching stattfindet, was dadurch zu erklären ist, dass die Seitenwandpassivierung von Wolfram gesenkt wurde. - Aus dem Vergleich der
1 ,2 und3 ist ersichtlich, dass alle drei Komponenten, nämlich NF3, HBr und O2 beim Ätzen von Wolfram vorhanden sein müssen, wenn eine Seitenwandpassivierung und eine Selektivität zu Polysilizium erreicht werden soll. Durch Variierung von O2- und HBr-Anteilen kann unabhängig voneinander Passivierung und Selektivität zu Polysilizium kontrolliert werden. Durch Erhöhung des O2-Anteils kann die Selektivität zu Polysilizium erhöht werden und durch Erhöhung des HBr-Anteils kann die Seitenwandpassivierung von Wolfram kontrolliert werden.
Claims (11)
- Verfahren zum Ätzen von Wolfram, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasgemisch enthaltend NF3, HBr und O2 verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen anisotrop ist.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass fluorsubstituierte Kohlenstoffe und/oder Stickstoff nicht vorhanden sind.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch ein Inertgas aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas Helium ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis NF3:HBr:O2 ungefähr 4-6:3-8:2-10 beträgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen bei einem Druck von 2 bis 20 mTorr durchgeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Selektivität zu Polysilizium höher als 1,35, vorzugsweise höher als 2, ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen bei einer Temperatur von 30° C – 70° C durchgeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingekoppelte Leistung zwischen 200 bis 800 W liegt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die und die Kapazitiv-Leistung zwischen 50 bis 400 W, liegt, vorzugsweise 100 W ist.
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