DE19706763B4 - Verfahren zum Ätzen einer Metallschicht - Google Patents

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Abstract

Plasmachemisches Verfahren zum Ätzen einer Metallschicht (13) aus Wolfram oder einer Wolframlegierung, die auf einer Schicht (11, 12) vorhanden ist, die aus Titan und einer Titanverbindung besteht, auf einer Isolationsschicht (10), die durch Ätzen gebildete Durchgangslöcher aufweist, wobei die Metallschicht (13) die Isolationsschicht (10) abdeckt und die Durchgangslöcher auffüllt,
die Metallschicht (13) selektiv über dieser Schicht (11, 12) mit Ausnahme der Teile, die in den Durchgangslöchern niedergeschlagen sind, weggeätzt wird,
als Ätzgas ein reaktives Mischgas aus einem aus CF4, C2F6 und C3F8 ausgewählten Gas mit Fluoratomen, einem Gas mit Chloratomen und Sauerstoffgas verwendet wird, und
das selektive Ätzen in einer Ätzkammer (2) durchgeführt wird, die stromabwärts eines Plasma-Entladungsrohres (6) angeordnet ist, mit einer aktiven Spezies, die Fluorradikale als Hauptbestandteil enthält.

Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ätzen einer Metallschicht, insbesondere ein Ätzverfahren, das eine Metallschicht ebnet, die auf einer Isolationsschicht gebildet ist, die mit verschiedenen Durchgangslöchern versehen ist.
  • Es gibt eine Technik, die Durchgangslöcher in einer Isolationsschicht, die auf einem Halbleiter-Wafer gebildet ist, durch ein Trockenätzverfahren ausbildet, eine Titanschicht und eine Titan-Verbindungsschicht, d.h. eine Sperrmetallschicht, durch ein Bedampfungsverfahren niederschlägt, und eine Wolframschicht zum Auffüllen der Durchgangslöcher durch ein CVD-Verfahren ausbildet. Das CAD-Verfahren bildet die Wolframschicht nicht nur in den Durchgangslöchern, sondern ebenfalls auf der Isolationsschicht aus. Daher müssen die anderen Bereiche der Wolframschicht als die, die in den Durchgangslöchern niedergeschlagen sind, entfernt werden. Die Entfernung eines solchen Wolframfilmes kann etwa mittels RIE (reaktiver Ionenätzung) erfolgen.
  • Das RIE-Verfahren beschädigt eine Schicht, die unter einer zu entfernenden Schicht liegt, durch Ionen-Implantation und Kristallfehler mittels geladener Teilchen, die in einem Plasma erzeugt werden, und als beschleunigte, geladene Teilchen auf die zu ätzende Schichttreffen.
  • Die DD 281 484 A5 beschreibt ein plasmachemisches Ätzverfahren, insbesondere für Mo, Cr oder W-haltige Schichtsysteme, die bei der Fertigung hochintegrierter elektronischer Schaltungen als Kontakt- und Leitbahnsystem durch ein plasmachemisches Ätzverfahren ausgebildet werden. Dabei geht es um die Verhinderung der Ausbildung von schwerflüchtigen ätzhemmenden Chloriden bei Gewährleistung eines anisotropen Ätzprozesses. Erreicht wird dies durch ein Ätzgasgemisch bestehend aus Cl2 und CF4 oder Cl2 und SF6 dem bis zu 40 Vol.-% O2 beigegeben werden. Der im Rezipienten ausgebildete Druck beträgt dabei 10–2 Torr. Die erfindungsgemäßen Prozessparameter sichern dabei einen anisotropen Ätzproeß ohne Kantenverschiebung, der es gestattet, mit guter Selektivität gegenüber der unter der Leitbahnebene liegenden Isolierschicht zu strukturieren.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein plasmachemisches Verfahren zum Ätzen einer Metallschicht aus Wolfram oder einer Wolframlegierung mit hoher Selektivität für diese Metallschicht anzugeben.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Diese Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines Trockenätzsystems zum Durchführen des Verfahren zum Ätzen einer Metallschicht gemäß der Erfindung;
  • 2 ist eine fragmentarische Schnittansicht eines Werkstückes, das durch das Metallätzverfahren gemäß der Erfindung geätzt werden soll;
  • 3 ist ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Wolframschicht-Ätzrate vom Fließratenverhältnis von Cl2-Gas zeigt;
  • 4 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Abhängigkeit der Form einer Metallschicht, die in einem Durchgangsloch gebildet ist, von dem Fließratenverhältnis von Cl2-Gas;
  • 5 ist eine typische Schnittansicht eines Durchgangsloches; und
  • 6 ist ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Wolframschicht-Ätzrate von dem Fließratenverhältnis von O2-Gas zeigt.
  • In 1, die ein Trockenätzsystem zeigt, um das Verfahren zum Ätzen einer Metallschicht gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung zu zeigen, ist ein Werkstücktisch 4 zum Tragen eines Werkstückes 3 in einer Ätzkammer 2 angeordnet, die durch einen Vakuumkessel 1 definiert wird. Der Werkstücktisch 4 ist mit einem Temperaturregulierungsmechanismus zum Regulieren der Temperatur des Werkstückes 3 versehen, das darauf getragen ist. Bei einem Gaszuführrohr 5 ist ein Ende mit der oberen Wand des Vakuumkessels 1 und das andere Ende mit einem Plasma-Entladungsrohr 6 verbunden, das eine Gaseinfuhr 7 aufweist, durch die ein Gas zu dem Entladungsrohr 6 geführt wird. Ein Mikrowellenhohlleiter 8 ist mit dem Entladungsrohr 6 verbunden. Ein durch die Gaseinfuhr 7 in das Entladungsrohr 6 geführtes Gas wird durch eine Mikrowelle erregt, die durch den Mikrowellenhohlleiter 8 übertragen wird, zur Erzeugung eines Plasmas. Die Spezies, die in dem Plasma enthalten ist, wird in die Ätzkammer 2 geführt, worin das Werkstück 3 auf dem Werkstücktisch 4 getragen ist, zum Ätzen des Werkstückes 3. Ein reaktives Gas, das mit dem Werkstück 3 reagiert hat, wird von der Ätzkammer 2 durch einen Auslaß 9 nach außen entladen.
  • Gemäß 2 wird ein Werkstück 3 durch Bildung einer Siliciumdioxidschicht 10 auf einem Silicium-Wafer 9 durch Bildung von Löchern in der Siliciumdioxidschicht 10 unter Verwendung eines Resistfilmes als Maske durch ein Trockenätzverfahren, Bildung einer Titanschicht 11 und einer Titannitridschicht 12 in dieser Reihenfolge auf dem Siliciumdioxidschicht 10 durch ein Bedampfungsverfahren gebildet, und eine Wolframschicht 13 wird über der Titannitridschicht 12 durch ein CVD (chemisches Dampfniederschlag)-Verfahren gebildet.
  • Das Werkstück 3, das mit den Metallschichten versehen ist, wie dies in 2 gezeigt ist, wurde einem Ätzverfahren unterworfen, das durch das Trockenätzsystem durchgeführt wird, das in 1 gezeigt ist. Ein gemischtes, reaktives Gas, umfassend CF4-Gas, O2-Gas und Cl2-Gas, wurde verwendet. Ein gemischtes, reaktives Gas aus CF4-Gas und O2-Gas wurde bei 200 sccm zugeführt, eine Mikrowelle mit 700 W wurde zur Erzeugung eines Plasmas verwendet, die Ätzkammer 2 wurde auf 40 Pa evakuiert, und der Werkstücktisch 4 wurde auf 25°C erwärmt. Das Fließratenverhältnis von Cl2-Gas, d.h. das Verhältnis der Fließrate von Cl2-Gas (Cl2-Fließrate) zu der Summe der Fließraten von CF4-Gas und O2-Gas (CF4 + O2-Fließrate) wurde zwischen 0 und 50 % variiert, zur Untersuchung der Abhängigkeit der Wolframschicht-Ätzrate auf das Fließratenverhältnis von Cl2-Gas. Wie in 3 gezeigt ist, erhöht sich die Wolframschicht-Ätzrate mit der Erhöhung des Cl2-Gas-Fließratenverhältnisses in dem Bereich des Cl2-Gas-Fließratenverhältnisses von 0 bis 10 %, erreicht einen Peak bei einem Cl2-Gas-Fließratenverhältnis von 10 % und vermindert sich mit der Zunahme des Cl2-Gas-Fließratenverhältnisses in dem Bereich des Cl2-Gas- Fließratenverhältnisses von 10 % bis 50 %. Wenn das Cl2-Gas-Fließratenverhältnis 50 % war, wurde die Wolframschicht kaum geätzt. Die Titannitridschicht 12 wurde unabhängig von dem Cl2-Gas-Fließratenverhältnis nicht geätzt.
  • 4 zeigt die Formen der oberen Oberflächen von Bereichen der Wolframschicht, die in dem Durchgangsloch niedergeschlagen ist, nach dem Ätzen durch Trockenätzverfahren unter Verwendung von Cl2-Gas-Fließratenverhältnissen von 0, 5, 10 bzw. 30 %. Ein Loch, bzw. eine Einsackstelle wird in der Oberfläche des Bereiches der Wolframschicht gebildet, der in dem Durchgangsloch niedergeschlagen ist, wenn das Cl2-Gas-Fließratenverhältnis 0 ist, und überhaupt kein Loch wird in der Oberfläche des Bereiches der Wolframschicht gebildet, wenn das Cl2-Gas-Fließratenverhältnis 5 % oder mehr ist.
  • Ein solcher Unterschied in der Form der Oberfläche zwischen Bereichen der Wolframschicht, die unter Verwendung des reaktiven Gases bei unterschiedlichen Cl2-Gas-Fließratenverhältnisen geätzt wird, ist vermutlich den folgenden Gründen zuzuschreiben.
  • Wenn die Wolframschicht 13 durch ein CVD-Verfahren niedergeschlagen wird, wächst die Wolframschicht 13 entlang den Stufen in der Siliciumdioxidschicht. Wie in 5 gezeigt ist, beginnt daher das Wachstum der Wolframschicht von der Oberfläche des Durchgangsloches und hört an der Mittelachse des Durchgangsloches auf. Das Wachstum eines Bereiches des Wolframfilmes 13 über dem Durchgangsloch wird durch das Durchgangsloch beeinflußt; d.h., der Bereich der Wolframschicht 13 wächst zu einer Ausdehnung der Mittelachse des Durchgangsloches, und folglich nimmt die Oberfläche der Wolframschicht eine Form an, die der Stufe in der Siliciumdioxidschicht ähnlich ist. Wenn die so niedergeschlagene Wolframschicht durch ein Trockenätzverfahren unter Verwendung von aktiven Spezies geätzt wird, die durch Entladung in einem gemischten Gas aus CF4-Gas und O2-Gas erzeugt sind und Fluor-Radikale als Hauptkomponente enthalten, wird die Wolframschicht von der Oberfläche geätzt. Daher werden ein zentraler Bereich des Bereiches der Wolframschicht, der in dem Durchgangloch niedergeschlagen ist, und der Bereich der Wolframschicht über dem Durchgangsloch im wesentlichen gleichzeitig geätzt, und folglich wird ein Loch in dem zentralen Bereich des Bereiches des Wolframfilmes gebildet, der in dem Durchgangsloch niedergeschlagen ist, nachdem der Bereich der Wolframschicht über dem Durchgangsloch vollständig entfernt ist. Da die Wolframschicht leicht oxidiert wird, wird eine Wolframoxidschicht in der Oberfläche der Wolframschicht gebildet. Daher wird die Ätzwirkung von Fluor-Radikalen wie folgt ausgedrückt: W + F → WF6 WOx + F → WOF4
  • Da beide Fluoride, d.h. WF6 und WOF4, einen hohen Dampfdruck haben, werden die Fluoride leicht geätzt, und die Wolframschicht wird von ihrer Oberfläche geätzt. Folglich wird die Wolframschicht im wesentlichen entlang der Form des Stufenteils geätzt, und ein Loch wird in dem Bereich der in dem Durchgangsloch niedergeschlagenen Wolframschicht gebildet.
  • Wenn das gemischte reaktive Gas Cl2-Gas mit einem Cl2-Fließratenverhältnis von 5 % oder mehr enthält, werden zusätzlich Chlor-Radikale gebildet. Wie in "Solid State Technology", S. 127 (April 1988) erwähnt, werden, wenn Cl2-Gas zu einem gemischten reaktiven Gas aus CF4-Gas, O2-Gas und N2-Gas gegeben wird, das bei einem Trockenätzverfahren stromabwärts eines Plasma-Entladungsrohres verwendet wird, FCl-Radikale erzeugt, und die FCl-Radikale unterdrücken das Ätzen der Siliciumdioxidschicht. Aus dieser Tatsache wird abgeleitet, daß die in der Oberfläche der Wolframschicht gebildete Wolframoxidschicht bei einer niedrigen Ätzrate geätzt wird. Da der Bereich der in dem Durchgangsloch niedergeschlagenen Wolframschicht mit seinem Wachstum von der Oberfläche des Durchgangsloches beginnt und ungleichmäßig wächst, wird überlegt, dass der Bereich der Wolframschicht, der in dem Durchgangsloch niedergeschlagen ist, eine irreguläre Oberfläche hat und das reaktive Gas nicht in der Lage ist, die irreguläre Oberfläche aufgrund der Konduktanz leicht zu erreichen, und daher kann die Wolframoxidschicht, mit in der Oberfläche des Bereiches des Wolframfilmes, der in dem Durchgangsloch niedergeschlagen ist, schwierig geätzt werden. Es wird überlegt, daß die Menge an Fluor-Radikalen sich vermindert und daher die Ätzrate vermindert wird, wenn das Cl2-Fließratenverhältnis des reaktiven Gases 50 % oder mehr ist. Daher liegt das wünschenswerte Cl2-Fließratenverhältnis in dem Bereich von 5 bis 30 %.
  • 6 ist ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Wolframschicht-Ätzrate von dem Fließratenverhältnis von O2-Gas zeigt, d.h. das Verhältnis der Fließrate von O2-Gas zu der Summe der jeweiligen Fließraten von O2-Gas und CF4-Gas gleich 200 sccm. Ein gemischtes reaktives Gas aus CF4-Gas und O2-Gas wurde bei 200 sccm zugeführt, eine Mikrowelle mit 700 W wurde zur Erzeugung eines Plasmas verwendet, die Ätzkammer 2 wurde auf 40 Pa evakuiert und der Werkstücktisch 4 wurde auf 25°C erwärmt, und das Cl2-Fließratenverhältnis des reaktiven Gases war 10 %. Das Fließratenverhältnis von O2-Gas, d.h. das Verhältnis der Fließrate von O2-Gas (O2-Fließrate) zu der Summe der jeweiligen Fließraten von CF4-Gas und O2-Gas (CF4 + O2-Fließrate) wurde variiert, um die Abhängigkeit der Wolframschicht-Ätzrate von dem Fließratenverhältnis von O2-Gas zu untersuchen. Wie in 6 gezeigt ist, erhöht sich die Wolframschicht-Ätzrate mit der Erhöhung des O2-Gas-Fließratenverhältnisses in dem Bereich von dem Cl2-Gas-Fließratenverhältnis von 0 bis 30 %, erreicht einen Peak bei einem O2-Gas-Fließratenverhältnis von 30 % und vermindert sich mit der Erhöhung des O2-Gas-Fließratenverhältnisses auf mehr als 30 %. Ein O2-Gas-Fließratenverhältnis in dem Bereich von 0 bis 30 %, in dem sich die Wolframschicht-Ätzrate scharf mit der Erhöhung des Cl2-Gas-Fließratenverhältnisses erhöht, ist praktisch schwierig zu verwenden. Daher ist ein O2-Gas-Fließratenverhältnis in dem Bereich von 30 bis 90 wünschenswert.
  • Ein anderes fluorhaltiges Gas als CF4-Gas wie irgendeines von C2F6- und C3F8-Gas kann verwendet werden.
  • Obwohl im zuvor genannten Ausführungsbeispiel der Werkstücktisch 25°C erwärmt wird, um die Titannitridschicht-Ätzselektivität unendlich zu machen werden soll der Werkstücktisch aus eine Temperatur von nicht mehr als 46°C erwärmt.
    •

Claims (5)

  1. Plasmachemisches Verfahren zum Ätzen einer Metallschicht (13) aus Wolfram oder einer Wolframlegierung, die auf einer Schicht (11, 12) vorhanden ist, die aus Titan und einer Titanverbindung besteht, auf einer Isolationsschicht (10), die durch Ätzen gebildete Durchgangslöcher aufweist, wobei die Metallschicht (13) die Isolationsschicht (10) abdeckt und die Durchgangslöcher auffüllt, die Metallschicht (13) selektiv über dieser Schicht (11, 12) mit Ausnahme der Teile, die in den Durchgangslöchern niedergeschlagen sind, weggeätzt wird, als Ätzgas ein reaktives Mischgas aus einem aus CF4, C2F6 und C3F8 ausgewählten Gas mit Fluoratomen, einem Gas mit Chloratomen und Sauerstoffgas verwendet wird, und das selektive Ätzen in einer Ätzkammer (2) durchgeführt wird, die stromabwärts eines Plasma-Entladungsrohres (6) angeordnet ist, mit einer aktiven Spezies, die Fluorradikale als Hauptbestandteil enthält.
  2. Ätzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mit Chloratomen Cl2 ist, und das Fließratenverhältnis von Cl2, nämlich das Verhältnis der Fließrate von Cl2 zur Summe der Fließraten des Gases mit Fluoratomen und des Sauerstoffgases, im Bereich von 5 % bis 30 % liegt, so dass Chlorradikale gebildet werden.
  3. Ätzverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sauerstoffgas O2 ist, und das Fließratenverhältnis von O2, nämlich das Verhältnis der Fließrate von O2 zur Summe der Fließraten des Gases mit Fluoratomen und von O2, im Bereich von 30 % bis 90 % liegt.
  4. Ätzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Wolfram oder der Wolframlegierung mit einer Ätzrate geätzt wird, die deutlich größer ist als die Ätzrate für die Schicht aus Titan und/oder der Titanverbindung.
  5. Ätzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur eines Wafers, auf dem die Isolationsschicht vorhanden ist, während des Verfahrens zum Ätzen der Metallschicht bei 40°C oder weniger gehalten wird.
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