DE112008003598B4

DE112008003598B4 - Verfahren zum Ätzen einer Öffnung mit hohem Längen-/Breitenverhältnis

Info

Publication number: DE112008003598B4
Application number: DE112008003598.9T
Authority: DE
Inventors: Russell A. Benson; Ted Taylor; Mark Kiehlbauch
Original assignee: Micron Technology Inc
Current assignee: Micron Technology Inc
Priority date: 2008-01-04
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2016-09-01
Anticipated expiration: 2028-12-17
Also published as: US20140077126A1; GB2468458B; TWI402908B; US20090176375A1; KR101158205B1; GB2468458A; CN101911263A; KR20100098580A; TW200949929A; DE112008003598T5; GB201011217D0; US8614151B2; WO2009088660A1; CN101911263B

Abstract

Verfahren zum Ätzen einer Öffnung in eine Dielektrikumsschicht, welches umfasst: Einleiten von Gasen in eine Kammer, wobei die Gase ein Sauerstoffquellengas, ein Inertgas, C2F4, sowie C4F6, C4F8 oder ein Gemisch von C4F6 und C4F8 umfassen, wobei C4F6:C2F4, C4F8:C2F4, oder C4F8 und C4F6:C2F4 in einem Verhältnis von etwa 0,25:1 bis 1,5:1 vorliegen, das Bilden eines Plasmas aus den Gasen in der Kammer; und das Ätzen der Öffnung durch die Dielektrikumsschicht zu einem darunter liegenden Substrat mit dem, wobei während des Ätzens eine gleichförmige Polymerschicht entlang der Seitenwände der Öffnung gebildet und aufrechterhalten wird, und wobei das Sauerstoffquellengas mit Kohlenstoff und Fluor enthaltenden Ionen in dem Plasma reagiert, um die Abscheidung von Polymer am Boden der Öffnung während des Ätzens zu unterdrücken.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen der Erfindung betreffen die Gaschemie und Verfahren zum Plasmaätzen von Kontakten mit hohem Längen-/Breitenverhältnis (HARCs) in Oxidschichten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In Halbleitervorrichtungen werden Isolierschichten, wie Siliciumdioxid (SiO₂), dotiertes Oxid, wie BPSG, und Siliciumnitrid eingesetzt, um Leiterschichten, wie dotiertes Polysilicium, Metalle, hochschmelzende Metallsilicide und dergleichen, elektrisch zu trennen. Das Ätzen eines Kontakts mit hohem Längen-/Breitenverhältnis (HARC) ist ein Schlüsselverfahren zum Bilden von Kontaktlochverbindungen durch Isolierschichten zu einer aktiven Fläche oder einer Leiterschicht in hochdichten integrierten Vorrichtungen. HARCs erfordern Ätzverfahren, die ein vertikales Profil und eine definierte kritische Dimension (CD) bilden. Eine weitere Anwendung für HARC-Merkmale in Dielektrika ist die Bildung von Kondensator- oder Behälterstrukturen in einem Schichtkondensator DRAM.
Bei einem typischen Plasmaätzen wird ein Substrat auf einem Spannfutter in einer Gaskammer positioniert, ein Ätzgas wird in die Kammer gegeben, und der Kammerdruck wird vermindert. Eine Energiequelle/Stromversorgung erzeugt ein geladenes elektrisches oder elektromagnetisches Feld durch Elektroden, die innerhalb der Kammer angeordnet sind, um das Ätzgas durch Energiezufuhr in einen Plasmazustand zu versetzen. Das Ätzgas wird in ein aufgetrenntes Gemisch von ungeladenen Neutralteilchen sowie Elektronen und positiven Ionen überführt. Typischerweise werden die positiven Ionen durch eine Radiofrequenz(RF)-Vorspannelektrodenarmierung zu dem Substrat hin beschleunigt, wodurch eine Richtung für das Bilden von vertikalen Kontaktlochprofilen vorgegeben wird, und das das Substrat tragende Spannfutter wirkt als Bodenelektrode und kann durch eine zweite RF-Stromquelle vorgespannt werden. Die Ionen reagieren mit dem Substrat, wodurch das exponierte Material von der Halbleitervorrichtung entfernt wird.
Im Allgemeinen verwenden Standardverfahren zum Ätzen durch Siliciumdioxid (SiO₂) zu dem darunter liegenden Silicium und/oder Siliciumnitrid Fluorkohlenstoffgasplasma. Die Dissoziation der Fluorkohlenstoffmoleküle durch die Wirkung des Plasmas erzeugt aktive Radikale und/oder Ionen, die auf das SiO₂-Substrat einwirken. Beispielsweise sind in einigen hochdichten Plasmen CF⁺, CF₂ ⁺ und CF₃ ⁺-Ionen, die aus CF₃ erzeugt werden, und andere C_xF_y-Radikale (wobei x bis zu 11 ist und y bis zu 15 ist) dominante Ätzionen für SiO₂, wobei Ar⁺-Ionen CF_x-Filme auf Oxid sputtern, und weniger fluorierte Radikale (wie CF₂ und CF) werden an den Seitenflächen und Bodenflächen in dem Kontaktloch des SiO₂ während des Ätzverfahrens adsorbiert und polymerisieren, wobei eine nicht flüchtige Fluorpolymerschicht gebildet wird, die ein Ätzen durch die Ionen verhindert. Eine genaue Kontrolle der Ausgeglichenheit zwischen den adsorbierenden Radikalen und den Ätzionen während des SiO₂-Kontaktplasmaätzens ist wichtig, um die Seitenwände der Öffnung gleichzeitig zu passivieren und die Ätzfront am Boden der Öffnung auszuweiten. Eine solche Kontrolle ist jedoch schwierig, wenn herkömmliche Fluorkohlenstoffchemie eingesetzt wird.
Während des HARC-Ätzens treten oft Probleme auf, einschließlich des Beugens bzw. Bogenbildung und/oder Verdrehens der Öffnungen. Die 1 und 2 veranschaulichen ein Substratfragment (beispielsweise Wafer), der allgemein als 10 bezeichnet wird, und zeigen die Bildung eines Kontaklochs 12 in einer Dielektrikumsschicht 14 zu einer darunter liegenden Substratschicht 16 durch herkömmliche Ätzverfahren. Das in 1 veranschaulichte Beugen wird im Allgemeinen durch eine Reaktion von freiem Fluor, das an den Seitenwänden 18 der Kontaktöffnung 12 durch Ätzen (Pfeile ↓↓↓) akkumuliert und die exponierten Seitenwände lateral angreift und ätzt, wodurch die charakteristische Beugung 20 erzeugt wird. Während typischer HARC-Ätzverfahren kann ein Ladungsaufbau entlang der Seitenwände 18 einer engen und tiefen Öffnung hereinkommende Ionen ablenken, wodurch eine Änderung der Flugbahn dieser Ionen bewirkt wird. Das in 2 veranschaulichte Verdrehen kann durch asymmetrische Polymerabscheidung 22 entlang der Seitenwände 18 während des Ätzens in Verbindung mit einer Aufladung bewirkt werden, wodurch hereinkommende Ätzionen abgelenkt werden und die Flugbahn (Pfeil) der Ionen verändert wird, was von einem perfekt vertikalen Profil zu einem Verdrehen oder Beugen des Kontaktlochs 12 führt, wobei das Loch zu einer oder der anderen Seite hin tendiert. Das Verdrehen des Kontaktlochs kann zu einer fehlerhaften Ausrichtung und zu einem nicht perfekten Kontakt zwischen dem anschließend abgeschiedenen Leitermetall und einer aktiven Fläche 24 führen, beispielsweise in dem darunterliegenden Substrat 16. Abweichungen, wie Beugen und Verdrehen, können auch zu einem nicht vertikalen Kontaktloch und zu einem Kurzschluss des Kontakts zu einem benachbarten Kontakt oder einer anderen Struktur führen.
Es wäre nützlich, ein Verfahren und ein Ätzgas für das Ätzen von Öffnungen mit hohem Längen-/Breitenverhältnis in Siliciumoxidschichten bereitzustellen, welche diese und andere Probleme überwinden.
US 2003/0045114 A1 offenbart ein Verfahren zur Halbleiterherstellung, bei dem mit einem Plasma Öffnungen in eine Dielektrikumsschicht geätzt werden. Das Ätzgas, aus dem das Plasma gebildet wird, enthält ein Schwefel enthaltendes gas, ein Sauerstoff enthaltendes Gas und ein Fluorkohlenwasserstoff oder Fluorkohlenstoffgas, welches zum Beispiel aus C₂F₂, C₂F₄, C₃F₆, C₄F₆, C₄F₈, C₆F₆ und Kombinationen davon ausgewählt sein kann. US 2005/0181588 A1 offenbart ein Verfahren zum Bilden einer Öffnung in einer Dielektrikumsschicht, wobei Fluokohlenstoffgas verwendet wird, welches zum Beispiel C₂F₄, C₄F₆, C₄F₈ enthalten kann. US 6 613 691 B1 betrifft ein Oxidätzverfahren, bei dem beispielsweise C₄F₆, C₃HF₅ und/oder C₃HF₃ eingesetzt werden. US 6 383 918 B1 betrifft ein Verfahren zum Bilden von Öffnungen in einer Dielektrikumsschicht, bei dem die Öffnungen unter Verwendung eines Gemischs aus C₄F₈, CF₄, CO und Ar plasmageätzt werden. US 6 942 816 B2 offenbart ein gas zum Ätzen von Oxidschichten, welches CF₄, C₂F₆, C₂F₄, C₃F₆, C₄F₆, C₄F₈ oder C₅F₈ enthalten kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die folgenden beigefügten Zeichnungen beschrieben, die nur zur Veranschaulichung dienen. In den folgenden Ansichten werden die Bezugszeichen in den Zeichnungen durchgehend verwendet, und die selben Bezugszeichen werden in den verschiedenen Ansichten und in der Beschreibung durchgehend verwendet, um dieselben oder ähnliche Teile zu bezeichnen.
1 veranschaulicht ein Verfahren des Standes der Technik, das zu einem Beugen eines Kontaktlochs während des Ätzens führt.
2 veranschaulicht ein Verfahren des Standes der Technik, das zu einem Verdrehen eines Kontaktlochs während des Ätzens führt.
3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Teils eines Substrats in einer vorbereitenden Verfahrensstufe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Querschnittsansicht des Substrats, das in 3 gezeigt wird, in einer nachfolgenden Verfahrensstufe.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen stellt anschauliche Beispiele von Vorrichtungen und Verfahren gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereit.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeuten die Ausdrücke ”Halbleitersubstrat” oder ”Halbleitendes Substrat” oder ”Halbleitendes Waferfragment” oder ”Waferfragment” oder ”Wafer” eine beliebige Konstruktion, die ein Halbleitermaterial aufweist, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, halbleitende Materialien, wie einen Halbleiter-Wafer (entweder allein oder in einem Aufbau, der andere Materialien umfasst), und halbleitende Materialschichten (entweder allein oder in einem Aufbau, der andere Materialien umfasst). Der Ausdruck ”Substrat” bezieht sich auf eine beliebige Trägerstruktur, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, halbleitende Substrate, Waferfragmente oder vorstehend beschriebene Wafer.
Der hier verwendete Ausdruck ”hohes Längen-/Breitenverhältnis” bezieht sich auf das Verhältnis der Tiefe zu der Breite (oder dem Durchmesser) von etwa 15:1 oder höher.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Verfahren zum Plasmaätzen von dotierten oder undotierten Dielektrikummaterialien, die in der Verarbeitung von halbleitenden mikroelektronischen Vorrichtungen eingesetzt werden, um Öffnungen herzustellen, die Kontakte oder Behälter mit einem hohem Längen-/Breitenverhältnis (HARCs) aufweisen. Die vorliegende Erfindung stellt Verfahrensparameter für das Ätzen eines Kontaktlochs mit hohem Längen-/Breitenverhältnis bereit, welche das Beugen oder Verdrehen der Kontaktöffnung während des Ätzens verringern, die kritische Dimension (CD) für das gesamte Tiefenprofil des Kontaktlochs aufrechterhalten und ein Kontaktloch mit einem vertikalen Profil herstellen, das im Wesentlichen zylindrisch mit einer minimalen Verjüngung ist. Beispielsweise würde ein Kontakt mit einer Tiefe von etwa 2 μm, einer CD oben von 60 nm und einer CD unten von etwa 45 bis 60 nm als ein Kontakt angesehen werden, der das erforderliche CD-Profil aufweist.
Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird unter Bezugnahme auf die 3 und 4 veranschaulicht. 3 zeigt ein Substratfragment, das im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10' angegeben wird, in einer vorbereitenden Verarbeitungsstufe. Das Substratfragment 10' umfasst eine auf einer Substratschicht 16' gebildete Isolierung oder Dielektrikumsschicht 14' und eine aktive Fläche oder ein Element 24' (beispielsweise eine Diffusionsfläche, einen Kontakt, einen Leiter und dergleichen). Das Substratfragment 10' in Verarbeitung kann ein Halbleiterwafersubstrat oder den Wafer neben verschiedenen darauf befindlichen Verfahrensschichten, einschließlich eine oder mehrere Halbleiterschichten oder andere Gebilde, und aktive Bereiche oder Betriebsbereiche der Halbleitervorrichtungen aufweisen.
Die Dielektrikumsschicht 14' ist in einer ausgewählten Dicke ausgebildet, um zu einem Kontaktloch mit definiertem hohen Längen-/Breitenverhältnis geätzt zu werden, beispielsweise in einer Dicke von etwa 2 bis 3 μm. Die Dielektrikumsschicht 14' kann aus nicht dotiertem Siliciumdioxid (SiO₂) oder dotiertem SiO₂, beispielsweise aus Siliciumoxid, das von Tetraethylorthosilikat (TEOS), Borphosphosilikatglas (BPSG), Borsilikatglas (BSG) und Phosphosilikatglas (PSG) abgeschieden wird, oder aus anderen Materialien, wie Nitriden (beispielsweise Siliciumnitriden (Si_xN_y) wie Si₃N₄) oder Siliciumoxynitriden (SiO_xN_y), in einer Einzelschicht oder in mehreren Schichten gebildet sein. Die zugrunde liegende Substratschicht 16' unterscheidet sich in ihrer Zusammensetzung von der Dielektrikumsschicht 14' und kann aus einer Nitrid-Ätzstoppschicht (wie Si₃N₄), einem hochschmelzenden Metallnitrid, wie Titannitrid, Wolframnitrid, und dergleichen, einer Siliciumdioxidschicht mit einer zu der Siliciumdioxid-Dielektrikumsschicht 14' unterschiedlichen Dotierung, einer Siliciumschicht, wie monokristallinem Silicium und Polysilicium, einem dotierten Siliciumbereich, einem Metallsilicid, wie Titansilicid, einem Metallleiter oder anderen Materialschichten bestehen. In dem veranschaulichten Beispiel ist das Substrat 16' SiO₂ mit einer Kontaktfläche 24' (beispielsweise Polysilicium).
Eine Ätzresistmaskierungsschicht 28', beispielsweise ein Fotoresist oder ein hartes Maskierungsmaterial, ist über der Dielektrikumsschicht 14' gebildet und, wie gezeigt, gemustert und geätzt, um die Öffnungen 30' zu definieren, welche Bereiche der Dielektrikumsschicht exponieren.
4 zeigt, dass die Dielektrikumsschicht 14' geatzt wird, um eine Kontaktöffnung 12' mit hohem Längen-/Breitenverhältnis zu bilden (d. h., Kontaktloch und Durchkontaktierung oder eine andere Öffnung, wie einen Graben), die sich zu der zugrunde liegenden Substratschicht 16' erstreckt, wobei beispielsweise ein Kontaktloch für ein Verbindungsniveau, eine Gate-Elektrode, eine Kondensatorelektrode, eine Durchkontaktierung und dergleichen bei der Herstellung verschiedener Vorrichtungen oder Schaltkreise, wie SRAMs, DRAMs und dergleichen, gebildet wird. Typischerweise wird beispielsweise die Kontaktöffnung 12' in einem hohen Längen-/Breitenverhältnis von etwa 1:15 bis etwa 1:40 oder etwa 1:20 bis etwa 1:30 mit einer kritischen Dimension (CD) (Breite) von weniger als etwa 100 nm oder etwa 25 bis 70 nm und einer Tiefe (d) von etwa 1 bis 3 μm geätzt.
Gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung wird die Dielektrikumsschicht 14' geätzt, um ein Kontaktloch 12' zu bilden unter Verwendung eines HARC-Gasplasmas (Pfeile ↓↓↓), erzeugt gemäß der vorliegenden Erfindung unter Einsatz von C₄F₈ (Octafluorcyclobutan), C₄F₆ (Hexafluorbutadien) oder eines Gemisches davon, einer Sauerstoffquelle und eines Inertgases in Kombination mit C₂F₄ (Tetrafluorethan), wobei das Verhältnis von C₄F₆, C₄F₈ oder dem Gemisch von C₄F₆ und C₄F₈ zu dem C₂F₄ im Bereich von 0,25:1 bis 1,5:1 liegt. Die C₄F₈-, C₄F₆- und C₂F₄-Gase erzeugen CF₂-Radikale als Gasvorläufer für die Polymerabscheidung und CF₃ ⁺-Ionen zum Ätzen der Siliciumoxidschicht. Gemäß Anspruch 10 besteht das Ätzgas, aus welchem das Plasma gebildet wird, aus C₄F₈ und/oder C₄F₆, einer oder mehreren Sauerstoffquellen, einem oder mehreren Inertgasen und C₂F₄.
Die Sauerstoffquelle kann beispielsweise Sauerstoff (O₂), Kohlenmonoxid (CO) oder Gemische davon in Mengen, welche die Leistungsfähigkeit der Ätzgase nicht beeinträchtigen, sein. Die Sauerstoffquelle reagiert mit dem Kohlenstoff und den Fluor enthaltenden Ionen (CF_x) innerhalb des Plasmas, um die Menge des Kohlenstoffs und des Fluors, die an die Seitenwände 18' anhaften, einzustellen und den ”Ätzstopp” zu unterdrücken, der sich durch Kohlenstoffabscheidungen auf der Bodenoberflächen 26' des Kontaktlochs 12' ergeben kann.
Das Ätzgas enthält ein inertes Trägergas, das dem Fachmann bekannt ist, wie Argon (Ar), Xenon (Xe), Neon (Ne), Krypton (Kr) und Helium (He). Trägergase sind in dem Ätzmittel vorhanden, um die Ätzgase zu verdünnen, so dass ein übermäßiges Ätzen oder ein Abscheiden nicht auftritt, um das erzeugte Plasma zu stabilisieren und um die Gleichförmigkeit des Ätzprozesses zu erhöhen. In einigen Ausführungsformen werden Xenon (Xe), Neon (Ne) und/oder Krypton (Kr) als Trägergas anstelle oder in Kombination mit Argon (Ar) eingesetzt.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Fluorkohlenstoffeinspeisungsgas zusammengesetztes C₄F₈/O₂/Ar/C₂F₄, C₄F₆/O₂/Ar/C₂F₄ oder C₄F₈/C₄F₆/O₂/Ar/C₂F₄. In anderen Ausführungsformen ist O₂ kombiniert mit oder ersetzt durch CO, und/oder Ar ist ersetzt durch oder kombiniert mit Xe, Ne, Kr und/oder He. Gemäß Anspruch 1 kann das Einspeisungsgas die vorstehend genannten Gase enthalten, gemäß Anspruch 10 besteht es aus diesen.
Das Ätzgas kann gegebenenfalls ein oder mehrere zusätzliche Fluorkohlenstoffgase der allgemeinen Formel C_xF_y, worin x = 1 – 6 und y = 2 – 8, beispielsweise CF₄ (Tetrachlorkohlenstoff), C₂F₆ (Hexafluorethan), C₃F₆ (Hexafluorpropylen), C₃F₈ (Octafluorpropan), C₅F₈ (Octafluorcyclopenten) und C₆F₆ (Perfluorbenzol), und Kombinationen davon enthalten.
Es wurde gefunden, dass die Zugabe von C₂F₄ während eines HARC-Ätzens unter Einsatz von C₄F₈ oder C₄F₆ mit einer Sauerstoffquelle und einem Inertgas zu einer Abscheidung einer dünnen und gleichförmigen Polymerschicht 22' führt, wobei die Seitenwände 18' der Kontaktöffnung 12' während des Ätzens passiviert werden, so dass sie gegen laterales Ätzen geschützt sind und ein Verdrehen und Beugen des Kontaktlochs minimiert wird, insbesondere während eines Überätzens zum Entfernen des verbleibenden Oxids über dem Substrat 16', ohne dass das zugegebene Polymerisierungsgas (d. h. C₂F₄) kompensiert werden muss.
Die Polymerabscheidung auf CF_x-Basis, die sich auf der Zugabe von C₂F₄ zu einem C₄F₈- und/oder C₄F₆-Ätzgas ergibt, stellt eine verbesserte Passivierungsschicht bereit, die gleichförmig und symmetrisch ist und die sich während des Ätzens des Kontaktlochs über die Seitenwände abscheidet. Die gleichförmige Polymerschicht verhindert ein durch Ionen bewirktes laterales Ätzen oder ”Beugen” in lokalen Flächen der Seitenwand, wobei die kritische Dimension (CD) über das gesamte Tiefenprofil des Kontaktlochs aufrechterhalten bleibt und die Behälterverformung verringert wird. Die Abscheidung der gleichförmigen Polymerschicht auf den Seitenwänden des Kontaktlochs kann auch als schwacher Leitungsweg dienen, um Ladung am Boden des Kontaklochs abzuleiten und ein Verdrehen zu verringern. Eine symmetrische Polymerabscheidung verringert auch die Wahrscheinlichkeit der Bildung eines lateralen elektrischen Feldes, was wiederum ein Verdrehen verringert. Unregelmäßigkeiten in den plasmaabgeschiedenen Polymermaterialien übertragen sich bekanntermaßen auf das zu ätzende Substrat. Die sehr regelmäßige und gleichförmige Schicht aus Polymermaterial, die durch die vorliegende C₄F₈/C₄F₆/C₂F₄-basierte HARC-Chemie erzeugt wird, verringert Verformungen und Fehlstellen in dem Kontaktloch, während die gleichzeitige Ionenbombardierung die Absorption oder die Abscheidung von Polymer auf der Ätzfront am Boden des Kontaktlochs unterdrückt, so dass das Ätzen erleichtert wird, ohne dass eine Verjüngung bewirkt wird.
Es wurde ein Strukturieren von SiO₂ unter Einsatz eines Gasgemisches aus Trifluoriodmethan (CF₃I) und Tetrafluorethan (C₂F₄) beschrieben. CF₃I ist jedoch kein bevorzugtes Ätzmittel, weil es ein hochkorrosives Gas ist und bei der Erzeugung des gewünschten Kontaktlochprofils nicht gut geeignet ist. Die vorliegenden Ätzmittel überwinden diese Nachteile und erzielen ein dynamisches Gleichgewicht, so dass das Polymer etwa mit der gleichen Rate abgeschieden und entfernt wird, wodurch ein Ätzstopp verhindert wird und eine kontinuierliche Passivierung bewerkstelligt wird, wodurch die Seitenwände nicht exponiert werden, was zu einer Verhinderung des Beugens führt. Die Ätzgase können auch kontrolliert werden, sodass die Abscheidung von überschüssigem Polymerrest, der ein Verdrehen des Kontaktlochs bewirken kann (beispielsweise wie in 2 gezeigt), verhindert wird und die Anhäufung von plasmaabgeschiedenen Polymerresten auf der Bodenoberfläche 24' der Öffnung 12' begrenzt wird.
In erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann das Ätzgasplasma ein Gemisch von Gasen für ein Ätzen von Siliciumoxid mit hohem Längen-/Breitenverhältnis bei einer deutlich hoheren Rate als von einer Nitrid- und/oder Siliciumsubstratschicht 16' sein, d. h., das Ätzgasplasma ist hochselektiv gegenüber Nitriden und Silicium. Ein solches Ätzgasplasma erlaubt das Ätzen einer Oxidschicht 14' bis zu einer Substratschicht 16' ohne gleichzeitige Beschädigung der Nitrid- oder Siliciumschichten.
In anderen Ausführungsformen kann das Ätzgas einen Kohlenwasserstoff enthalten, wie CH₄ (Methan) und/oder ein oder mehrere Fluorkohlenwasserstoff-Einspeisungsgase der allgemeinen Formel C_xH_yF_z (wobei x = 1 – 6, y = 1 – 6 und z = 1 – 6, wie CHF₃ (Trifluormethan), CH₂F₂ (Difluormethan), CH₂F (Tetrafluorethan), CH₃F (Methylfluorid), C₂HF₅ (Pentafluorethan), C₂H₂F₄ (Tetrafluorethan), C₂H₅F₅ (Ethylfluorid), C₂HF₅ (Pentafluorpropen), C₃HF₇ (Heptafluorpropan), C₃H₂F₆ (Hexalfuorpropan), C₃H₃F₃ (Trifluorpropen), C₃H₃F₃ (Pentafluorpropan), C₃H₄F₄ (Tetrafluorpropan), C₄HF₇ (Heptafluorbuten), C₄H₂F₆ (Hexafluorbuten), C₄H₂F₈ (Octafluorbutan), C₅HF₉ (Nonafluorpenten), C₅HF₁₁ (Undecafluorpentan), oder ein Hydrofluorbenzen (beispielsweise C₆H₃F₃) und andere. Das Verwenden eines Kohlenwasserstoffs (wie CH₄) und/oder eines Fluorkohlenwasserstoff-Einspeisungsgases ist beim Ätzen von anderen Dielektrika als SiO₂, einschließlich beispielsweise Siliciumnitrid (wie Si_xN_y, wie Si₃N₄), nützlich.
Der Vorteil der Verwendung von C₂F₄ ist, dass das abgeschiedene Polymer ein Polymer auf CF-Basis ist, das im Vergleich zu Si enthaltenden Polymeren, die durch Verfahren unter Verwendung eines Ätzgases, wie SiH₄, SiF₄ oder SiCl₄ gebildet werden, leicht abgezogen/abgewaschen werden kann. Das CF-basierte Polymer, das aus C₂F₄ erzeugt wird, ist sehr gleichförmig, wodurch ermöglicht wird, dass das C₂F₄-Gas zugegeben werden kann, ohne dass die Menge von O₂ in dem C₄F₈/C₄F₆-Ätzgas verändert werden muss, um die Zugabe des Polymerisierungsgases (C₂F₄) auszugleichen. Zudem führt die Verwendung von C₂F₄ nicht zu einer übermäßigen Abscheidung, welche zu einem Verstopfen der Kontaktöffnung führen kann.
Obwohl Ausführungsformen des mit C₂F₄-Gas gebildeten Ätzplasmagases die gewünschte gleichförmige Polymerabscheidung während des Ätzens bereitstellen, ist C₂F₄-Gas leicht entflammbar und instabil, wenn es gereinigt wird, und es kann in Gasleitungen und während des Lagerns spontan polymerisieren, wenn es mit Spurenmengen von O₂ kontaktiert wird. C₂F₄ kann stabilisiert werden, die Stabilisierungsmittel, wie d-Limonen (C₁₀H₁₆), Kohlendioxid (CO₂), oder Chlorwasserstoffsäure (HCl), können jedoch das Ätzverfahren nachteilig beeinflussen. Zudem kann der Aufwand beim Einsatz von C₂F₄ ein Hindernis sein.
Gemäß Anspruch 11 der vorliegenden Erfindung wird eine Kontaktöffnung in einer Dielektrikumsschicht unter Verwendung eines Ätzgases, das aus C₄F₈ und/oder C₄F₆, einer Sauerstoffquelle (wie O₂ und/oder CO), einem oder mehreren Inertgasen und einem Halogenfluorkohlenstoff, der C₂F₄ erzeugt, zusammengesetzt ist, geätzt, wobei dieselbe oder eine ähnliche Polymerabscheidung während eines Trockenätzens von Oxid bereitgestellt wird wie bei reinem C₂F₄, das in das C₄F₆-C₄F₈-Ätzplasma gespeist wird.
Der Halogenfluorkohlenstoff, der in dem Ätzgas verwendet wird, ist mindestens eine unter 1,2-Dibromtetrafluorethan (BrCF₂CF₂Br oder C₂F₄Br₂), 1,2-Diiodtetrafluorethan (ICF₂, CF₂I oder C₂F₄I₂) und Diioddifluormethan (CF₂I₂) ausgewählte Verbindung. Die vorstehend genannten Halogenfluorkohlenstoffe sind stabile flüssige Quellen, die in einem Plasma in CF₂-Radikale dissoziieren. C₂F₄Br und C₂F₄I₂ dissoziieren, wenn sie UV-Licht (beispielsweise 266 bis 193 nm) ausgesetzt werden, wobei C₂F₄ gebildet wird, das in einem Plasma 2 Einheiten von CF₂-Radikalen bildet.
Die Verwendung von C₂F₄ oder der vorstehend genannten Halogenfluorkohlenstoffe in einem C₄F₆- oder C₄F₈-Ätzgasplasma ermöglicht eine genauere Kontrolle der CF₂-Radikalerzeugung in dem Plasmagas, was zur Bildung einer regelmäßigen und gleichförmigen Polymerschicht auf den Seitenwänden der Kontaktöffnung wahrend des Ätzens führt, wodurch ein Beugen und Verdrehen minimiert wird und die Profilkontrolle des Kontaktlochs verbessert wird. Die vorstehend genannten Halogenfluorkohlenstoffe funktionieren als Analoga zu C₂F₄ und stellen eine Verfahrenswirkung und Polymerabscheidung während eines Trockenätzens bereit, die ähnlich sind zu reinem C₂F₄, das in ein C₄F₆- und/oder C₄F₈-Ätzplasma eingespeist wird, wobei jedoch die Stabilität höher ist und die bei reinem C₂F₄, welches leicht entflammbar ist und bei Kontakt mit Sauerstoff unter Explosion polymerisieren kann, auftretenden Probleme vermieden werden.
Das Plasma kann unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Ätzvorrichtung, beispielsweise einer Ätzvorrichtung von Applied Centura Enabler^® Etch system von Applied Materials, Inc., dem 2300 Exelan system von Lam Research Corporation, einer TEL Unity SCCM Dielectric Etch Chamber von Tokyo Electron Limited oder einer beliebigen anderen Ätzvorrichtung mit hochdichtem Plasma erzeugt werden. Beispiele der Ausstattungen und Techniken für das Plasmaätzen sind in dem US Patent Nr. 6,123,862 (Donohoe et al.), das allgemein zugänglich ist. Dem Fachmann ist klar, dass in Abhängigkeit von dem speziellen Ätzapparat, der zur Erzeugung des Plasmas eingesetzt wird, verschiedene Ätzparameter, wie Gasgemisch, Temperatur, RF-Stärke, Druck und Gasflussrate und andere variiert werden können, um die gewünschte Ätzrate und Ätzeigenschaft des Plasmasystems zu erzielen.
Ein Substrat 10' (beispielweise ein Wafer) mit einer Dielektrikumsschicht 14', die geätzt werden soll, wird in eine Plasmareaktionskammer einer geeigneten Vorrichtung zum Durchführen des Ätzverfahrens gegeben, und die Ätzgase werden in die Plasmareaktionskammer eingeleitet, und Strom wird angelegt, um aus den Ätzgasen ein Plasma zu induzieren. Im Allgemeinen wird ein Plasma über der Oberfläche des Wafers gebildet, und eine Vorspannung wird an das Substrat, das den Wafer enthält, oder an einen Träger oder ein Spannfutter, welches das Substrat trägt, angelegt, um Ionen von den Reaktantengasen zu der Oberfläche hin zu beschleunigen. Substanzen, die aus den Ätzgasen gebildet werden (wie Fluorionen), stoßen mit den Flächen der Dielektrikumsschicht 14', die durch die strukturierte Maskierung 28' exponiert ist, zusammen und reagieren mit diesen, wobei ein Fortschreiten der Ätzfront bewirkt wird. Nebenprodukte, die flüchtig sein können, können aus der Reaktionskammer durch einen Auslass abgeführt werden.
Das Ätzverfahren wird unter Bedingungen durchgeführt, die gleichzeitig ein ausgewogenes Ätzverfahren bereitstellen, d. h. Plasma, welches reaktive neutrale und ionische Substanzen erzeugt, welche Dielektrika ätzen, wenn die Ionen (CF₃ ⁺) ausreichend Energie aufweisen, die von der Vorspannquelle am Wafer bereitgestellt wird, und das Polymermaterial (durch CF₂-Radikale) an den Seitenwänden 18' der Kontaktöffnung oder des Lochs 12' abscheiden. Die Bodenoberfläche 26' wird während eines Überätzens mit Ionen bombardiert, um verbleibendes restliches Oxid über dem Substrat 16' zu entfernen.
Der Gasfluss von C₄F₈, C₄F₆ und C₂F₄ wird jeweils kontrolliert, um die Dichten der CF₂-Radikale und der CF₃ ⁺-Ionen zu optimieren. In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit einem C₄F₈/C₂F₄- oder C₄F₆/C₂F₄-Ätzgas sind die Gasflussraten in die Plasmakammer etwa 10–100 sccm (Standardkubikzentimeter pro Minute) für C₄F₈ oder C₄F₆ (oder etwa 50–70 sccm), etwa 50–150 sccm für C₂F₄ (oder etwa 80–100 sccm), etwa 10–60 sccm für O₂ (oder etwa 20–40 sccm), und etwa 500–1500 sccm für eines oder mehrere Inertgase (oder etwa 900–1300 sccm). Im Allgemeinen ist das Verhältnis C₄F₈:C₂F₄ etwa 0.25–1.5:1 (oder etwa 0.5–1:1) und das Verhältnis von C₄F₆:C₂F₄ ist etwa 0.25–1.5:1 (oder etwa 0.5–1:1).
In Ausführungsformen mit einem C₄F₈/C₄F₆/C₂F₄-Ätzgas sind die Gasflussraten typischerweise etwa 0–100 sccm für C₄F₈ (oder etwa 20–70 sccm), etwa 0–100 sccm für C₄F₆ (oder etwa 20–70 sccm), etwa 50–150 sccm für C₂F₄ (oder etwa 80–100 sccm), etwa 10–60 sccm für O₂ (oder etwa 20–40 sccm), und etwa 500–1500 sccm für eines oder mehrere Inertgase (oder etwa 900–1300 sccm), wobei die kombinierte Gesamtflussrate für C₄F₆ und C₄F₈ in einem Bereich von etwa 30–100 sccm liegt (oder etwa 50–70 sccm). Im Allgemeinen ist das Verhältnis C₄F₈ und C₄F₆ (kombiniert) zu C₂F₄ etwa 0.25–1.5:1 (oder etwa 0.5–1:1).
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, in denen Halogenfluorkohlenstoffe anstelle von C₂F₄ eingesetzt werden, sind die Ätzgasflussraten in die Plasmakammer etwa 10–100 sccm für C₄F₈ oder C₄F₆ (oder etwa 50–70 sccm), etwa 50–150 sccm für C₂F₄Br₂ oder C₂F₄I₂ (oder etwa 80–100 sccm), etwa 100–300 sccm für CF₂I₂ (oder etwa 160–180 sccm), etwa 10–60 sccm für O₂ (oder etwa 20–40 sccm), und etwa 500–1500 sccm für eines oder mehrere Inertgase (oder etwa 900–1300 sccm). Das Verhältnis von C₄F₈ oder C₄F₆:C₂F₄Br₂ oder C₂F₄I₂ ist etwa 0.25–1.5:1 (oder etwa 0.5 bis 1:1), und das Verhältnis von C₄F₈ oder C₄F₆ zu CF₂I₂ ist etwa 0.25–1.5:1 (oder etwa 0.5–1:1).
In anderen Ausführungsformen sind die Ätzgasflussraten in die Plasmakammer etwa 0–100 sccm für C₄F₈ (oder etwa 20–70 sccm) und etwa 0–100 sccm für C₄F₆ (oder etwa 20–70 sccm) mit einer kombinierten Gesamtflussrate für C₄F₆ und C₄F₈ von etwa 30–100 sccm (oder etwa 50–70 sccm), etwa 50–150 sccm für C₂F₄Br₂ oder C₂F₄I₂ (oder etwa 80–100 sccm), etwa 50–150 sccm für CF₂I₂ (oder etwa 80–100 sccm), etwa 10–60 sccm für O₂ (oder etwa 20–40 sccm), und etwa 500–1500 sccm für eines oder mehrere Inertgase (oder etwa 900–1300 sccm). Das Verhältnis von C₄F₈ und C₅F₆:C₂F₄Br₂ oder C₂F₄I₂ ist etwa 0.25–1.5:1 (oder etwa 0.5 bis 1:1), und das Verhältnis von C₄F₈ und C₄F₆:CF₂I₂ ist etwa 0.25–1.5:1 (oder etwa 0.5–1:1).
Das Ätzgas kann gegebenenfalls 1 oder mehrere zusätzliche Fluorkohlenstoffgase (wie CF₄, C₂F₆ und dergleichen) mit Gasflussraten bis zu etwa 50 sccm (oder etwa 10–50 sccm) enthalten.
Gegebenenfalls kann das Ätzgas auch einen Kohlenwasserstoff, wie CH₄, enthalten. Typische Flussraten für CH₄ sind bis zu etwa 5 sccm (oder bis zu etwa 20 sccm), und für Fluorkohlenwasserstoffe bis zu etwa 5 sccm (oder bis zu etwa 20 sccm).
Die Flussraten der verschiedenen Konstitutionsgase der Ätzgase kann bei Bedarf eingestellt werden, um ein geeignetes Ätzen gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung bereitzustellen, und die Größe der Ätzkammer und des zu ätzenden Wafers anzupassen. Das Stromniveau des in Verbindung mit der Ätzkammer stehenden Plasmas und der Druck in der Ätzkammer sollten ausreichend sein, um das Ätzverfahren aufrechtzuerhalten. Das Stromniveau der Quelle ist typischerweise im Bereich von etwa 1000–3000 Watt, die Vorspannung ist im Bereich von etwa 2000–7000 Watt, und der Druck ist im Allgemeinen im Bereich von 1,33–4 Pa (10–30 mTorr).
Die vorliegende Erfindung bildet Kontaktlöcher mit einem hohen Längen-/Breitenverhältnis, ohne dass ein Biegen oder Verdrehen der Löcher bewirkt wird, wobei die Löcher einen Durchmesser (CD) aufweisen, der über die gesamte Tiefe des Loches im Wesentlichen gleich ist.
Nachdem das Ätzen des Kontaktlochs 12' vollständig durchgeführt wurde, können die Maskierungsschicht 28' und die Polymerschicht 22' dann entfernt (abgezogen) werden, beispielsweise durch Trockenätzen mit einem Sauerstoffplasma-Veraschungsschritt, oder durch ein Nassätzen mit einem Piranha-Reinigungsmittel (H₂SO₄/H₂O₂).
Das Substrat 10' kann Nachätzungsverarbeitungsstufen unterworfen werden, die im Stand der Technik bekannt sind, um gewünschte Komponenten herzustellen. Beispielsweise können die erhaltenen Kontaktlöcher 12' weiterverarbeitet werden, beispielsweise durch Befüllen mit einem Metall oder einem Leitermaterial, wie Kupfer, Aluminium, Silicium, Ti₃N₄, um Kontakte oder Leiter zu bilden, beispielsweise zu einer darunter liegenden aktiven Fläche, einem Kontakt oder einem Leiter, oder mit einer Metall-Isolierung-Metall-Schicht zur Ausbildung von Kondensatoren mit einem dielektrischen Material, wie Al₂O₃, HfO₂, ZrO₂, SrTiO₃ und dergleichen. Bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen, wie Memory-Vorichtungen. Fertig hergestellte Halbleiter-Wafer können in Würfel geschnitten werden, die dann in integrierte Schaltungschips weiterverarbeitet werden können und in elektronische Vorrichtungen eingebaut werden können.

Claims

Verfahren zum Ätzen einer Öffnung in eine Dielektrikumsschicht, welches umfasst: Einleiten von Gasen in eine Kammer, wobei die Gase ein Sauerstoffquellengas, ein Inertgas, C₂F₄, sowie C₄F₆, C₄F₈ oder ein Gemisch von C₄F₆ und C₄F₈ umfassen, wobei C₄F₆:C₂F₄, C₄F₈:C₂F₄, oder C₄F₈ und C₄F₆:C₂F₄ in einem Verhältnis von etwa 0,25:1 bis 1,5:1 vorliegen, das Bilden eines Plasmas aus den Gasen in der Kammer; und das Ätzen der Öffnung durch die Dielektrikumsschicht zu einem darunter liegenden Substrat mit dem, wobei während des Ätzens eine gleichförmige Polymerschicht entlang der Seitenwände der Öffnung gebildet und aufrechterhalten wird, und wobei das Sauerstoffquellengas mit Kohlenstoff und Fluor enthaltenden Ionen in dem Plasma reagiert, um die Abscheidung von Polymer am Boden der Öffnung während des Ätzens zu unterdrücken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dielektrikumsschicht ein Oxid enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dielektrikumsschicht Siliciumnitrid enthält und die Gase außerdem einen Fluorkohlenwasserstoff der allgemeinen Formel C_xH_yF_z, wobei x = 1 – 6, y = 1 – 6 und z = 1 – 6, oder eine Kombination davon enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Öffnung ein Kontaktloch oder ein Graben mit einem Längen-/Breitenverhältnis von etwa 20:1 bis 30:1 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gleichförmige Polymerschicht an den Seitenwänden der Öffnung eine Dicke von etwa 0,5 bis 2 nm (5–20 Å) für ein Tiefenprofil der Öffnung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ätzen der Öffnung durch die Dielektrikumsschicht zu dem darunter liegenden Substrat mit dem Plasma das Ätzen der Dielektrikumsschicht bei einer Ätzrate von etwa 300 bis 600 nm/Min (3000–6000 Å/Min) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gase beim Einleiten der Gase in eine Kammer im Wesentlichen aus C₄F₆, C₄F₈ oder einem Gemisch von C₄F₆ und C₄F₈, dem Sauerstoffquellengas, dem Inertgas und C₂F₄ bestehen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einleiten der Gase in eine Kammer das Strömen der Gase bei einer Fließgeschwindigkeit von etwa 10–100 sccm für C₄F₆ oder C₄F₈ und bei etwa 50–150 sccm für C₂F₄ in die Kammer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einleiten der Gase in eine Kammer das Strömen von C₄F₆ und C₄F₈ in die Kammer bei einer kombinierten Fließgeschwindigkeit von etwa 30–100 sccm und von C₂F₄ in die Kammer bei einer Fließgeschwindigkeit von etwa 50–150 sccm umfasst.
Verfahren zum Ätzen einer Öffnung in eine Dielektrikumsschicht, welches umfasst: das Einleiten eines Zufuhrgases, welches aus C₄F₆, C₄F₈ oder einem Gemisch davon, einem Sauerstoffquellengas, einem inerten Verdünnungsgas und C₂F₄ besteht, in eine Kammer, wobei die Fließgeschwindigkeit des C₄F₆, C₄F₈ oder des Gemischs davon etwa 50–70 sccm beträgt, die Fließgeschwindigkeit des Sauerstoffquellengases etwa 20–40 sccm beträgt, die Fließgeschwindigkeit des inerten Verdünnungsgases etwa 900–1300 sccm beträgt und die Fließgeschwindigkeit des C₂F₄ etwa 80–100 sccm beträgt; Bilden eines Plasmas aus dem Zufuhrgas in der Kammer; und Ätzen der Öffnung durch die Dielektrikumsschicht zu einem darunter liegenden Substrat mit dem Plasm, wobei eine gleichförmige Polymerschicht entlang der Seitenwände der Öffnung während des Ätzens gebildet und aufrechterhalten wird.
Verfahren zum Ätzen einer Öffnung in eine Dielektrikumsschicht, welches umfasst: das Einleiten von C₄F₆, C₄F₈ oder eines Gemischs davon, eines Sauerstoffquellengases, eines inerten Verdünnungsgases und eines Halogenfluorkohlenstoffs, ausgewählt aus der aus C₂F₄Br₂, C₂F₄I₂ und CF₂I₂ bestehenden Gruppe, um ein Ätzgas zu bilden; Bilden eines Plasmas aus dem Ätzgas in der Kammer; und Ätzen der Öffnung durch die Dielektrikumsschicht bis zu einem darunter liegenden Substrat mit dem Plasma; wobei während des Ätzens eine gleichförmige Polymerschicht entlang der Seitenwände der Öffnung gebildet und aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Einströmen des C₄F₆, C₄F₈ oder eines Gemischs davon bei einer Fließgeschwindigkeit von etwa 10–100 sccm und des Halogenfluorkohlenstoffs bei einer Geschwindigkeit von etwa 50–300 sccm erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend das Einströmen des C₂F₄Br₂ oder C₂F₄I₂ bei einer Geschwindigkeit von etwa 50–150 sccm, oder des CF₂I₂ bei einer Geschwindigkeit von etwa 100–300 sccm.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Einleiten des C₄F₆, C₄F₈ oder eines Gemischs davon, des Sauerstoffquellengases, des inerten Verdünnungsgases und des Halogenfluorkohlenstoffs das Einströmen von C₄F₆:Halogenfluorkohlenstoff, C₄F₈:Halogenfluorkohlenstoff oder C₄F₈ und C₄F₆:Halogenkohlenstoff in einem Verhältnis von etwa 0,25:1 bis 1,5:1 umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Ätzgas außerdem ein zusätzliches Fluorkohlenstoffgas der allgemeinen Formel C_xF_y enthält, wobei x = 1 – 6 und y = 2 – 8.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Dielektrikumsschicht Siliciumnitrid enthält und das Ätzgas außerdem ein Fluorkohlenwasserstoffgas der allgemeinen Formel C_xH_yF_z, wobei x = 1 – 6, y = 1 – 6 und z = 1 – 6, oder ein Gemisch davon enthält.