DE19840437A1 - Ätzverfahren für Polysilizium und Ätzvorrichtung - Google Patents
Ätzverfahren für Polysilizium und ÄtzvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Ätzverfahren für Polysilizium und
eine Ätzvorrichtung dafür, und insbesondere ein Verfahren zum
isotropen Ätzen einer auf einer bestimmten Schicht
ausgebildeten Polysiliziumschicht ohne Plasmaerzeugung und eine
Ätzvorrichtung dafür.
Die Entwicklung der Halbleiterindustrie und die hohe
Integration und die hohe Leistungsfähigkeit von
Halbleiterbauelementen erfordert, daß eine große Anzahl von
Bauteilen auf einer begrenzten Fläche konzentriert wird.
Die Wafertechnologie hat sich entsprechend weiterentwickelt, so
daß Masken/Strukturen im µm-Bereich und kleiner hergestellt
werden können. Bei dem Waferherstellungsverfahren wird im
allgemeinen eine Trockenätztechnologie verwendet, um höchst
integrierte und sehr verfeinerte Halbleiterbauelemente
herzustellen. Die herkömmlich angewandte Trockenätztechnologie
verwendet Plasma.
Das Trockenätzverfahren unter Verwendung von Plasma ist eine
sehr wichtige und schwierige Technologie. Die wichtigen
Kriterien, die bei dem Plasmaätzverfahren berücksichtigt werden
müssen, sind das Ätzprofil, die Selektivität für
Unterschichten, die Ätzrate und die Gleichmäßigkeit des Ätzens,
usw. Diese werden vorwiegend durch die Ätzvorrichtung und/oder
die Eigenschaften der Versorgungsgase beeinflußt.
Wird eine Schicht aus siliziumhaltigem Material durch Plasma-
Trockenätzen geätzt, so wird eine Halogenverbindung, die Fluor
(F) und Chlor (Cl) enthält, als Ätzgas verwendet. Außerdem
können andere Gase zur Verbesserung des Ätzprofils der
Schichteigenschaften und der Selektivität oder als Trägergas
dem oben genannten Ätzgas zugesetzt werden.
Jedes Gas der Gasverbindung hat seine eigene Funktion. Die
Edelgase mit einer hohen Masse, beispielsweise Helium (He) oder
Argon (Ar), helfen als Trägergas das Ätzgas mitzuführen und
ätzen die Schicht durch physikalisches Sputtern.
Das Plasma-Trockenätzverfahren ist entsprechend der
Plasmabildung in einen induktiv gekoppelten Plasmatyp
(Inductively Coupled Plasma, ICP), bei dem das Plasma für den
Plasma-Ätzprozeß magnetisch mittels einer um eine Quarzröhre
gewickelte Hochspannungsspule ausgebildet wird, und einen
kapazitiv gekoppelten Plasmatyp (Capacitively Coupled Plasma,
CCP) aufgeteilt, bei dem das Plasma unter Verwendung von
Hochfrequenzsignalen, welche an eine Anode und eine Kathode
angelegt werden, ausgebildet wird. Das Plasma-
Trockenätzverfahren des CCP-Typs und des ICP-Typs erfordern
beide Zusatzvorrichtungen, wie Plasma-Stromquelle,
Phasenanpassungsvorrichtung, Vormagnetisierungsstrom usw., so
daß Elemente, Radikale, Ionen, usw. gemeinsam mit dem
Plasmazustand des zugeführten Reaktionsgas vorhanden sind.
Daher ist es erforderlich, eine neue Methode zum Ausführen des
Trockenätzverfahrens zu entwickeln, bei dem ein Reaktionsgas
verwendet, jedoch kein Plasma erzeugt wird.
Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, ein Polysilizium-
Ätzverfahren und eine Ätzvorrichtung dafür bereitzustellen, um
eine Polysiliziumschicht durch Einstellen der
Verfahrensumgebung, wie beispielsweise des inneren Drucks und
der Temperatur, innerhalb der Prozeßkammer, welcher das
Prozeßgas zugeführt wird, isotrop zu ätzen.
Um dies zu erreichen, weist das erfindungsgemäße Ätzverfahren
für Polysilizium folgende Schritte auf: a) Einführen eines
Wafers mit einer Polysiliziumschicht auf einer bestimmten
Schicht desselben in die Prozeßkammer; b) Einstellen des Drucks
und der Temperatur in der Prozeßkammer jeweils innerhalb eines
vorbestimmten Bereichs; c) Zuführen eines Ätzgases mit
Halogenverbindung der Prozeßkammer und Ätzen der
Polysiliziumschicht.
Die bestimmte Schicht kann eine Oxidschicht sein.
Der Druck innerhalb der Prozeßkammer liegt in dem Bereich
zwischen 0,5 und 3 Torr und die Temperatur in der Prozeßkammer
liegt über dem Siedepunkt des Ätzgases und unter 800°C.
Das Ätzgas mit Halogenverbindung wird durch die Verbindung
unterschiedlicher periodischer Elemente des Periodensystems
gebildet.
Das Ätzgas kann aus den Gasen ClF3, BrF5, IF3, ClF, BrF3, IF5 und
BrF ausgewählt werden.
Das Ätzgas kann außerdem NF3 sein.
Ein Trägergas wird der Prozeßkammer zugeführt. Das Trägergas
ist vorzugsweise N2-Gas oder Ar-Gas.
Das Ätzgas wird mit einer Zuführgeschwindigkeit von 100 bis
1000 SCCM (Standard Cubic Centimeter Minute, Standard
Kubikzentimeter Minute) und das Trägergas wird mit 300 bis 4000
SCCM der Prozeßkammer zugeführt.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung weist eine
erfindungsgemäße Ätzvorrichtung für Polysilizium eine
Ätzgasversorgungsquelle, aus der ein Ätzgas zugeführt wird, das
eine durch Verbindung unterschiedlicher periodischer Elemente
des Periodensystems gebildete Halogenverbindung oder NF3-Gas
aufweist, eine an die Ätzgasversorgungsquelle angeschlossene
Prozeßkammer mit einem Temperaturregler, und eine an die
Prozeßkammer angeschlossene Hochvakuumleitung zur Regelung des
Drucks in der Prozeßkammer auf.
Eine Trägergasversorgungsquelle zum Zuführen eines Trägergases
ist an die Prozeßkammer angeschlossen.
Die Ätzgasversorgungsquelle und die Trägergasversorgungsquelle
sind außerdem an einen Diffusor angeschlossen, der seinerseits
mit der Prozeßkammer verbunden ist.
Der Temperaturregler kann ein außerhalb der Prozeßkammer
vorgesehenes Heizgerät sein.
Eine Heizspule oder eine Lampe kann innerhalb des Heizgeräts
bereitgestellt werden.
Eine Trockenpumpe ist mit der Hochvakuumleitung verbunden.
Die Innenwand der Prozeßkammer kann mit einer
Aluminiumverbindung versehen werden, um so zu verhindern, daß
die Innenwand der Prozeßkammer durch das Ätzgas geätzt wird.
Die Erfindung wird anhand einer bevorzugten Ausführungsform mit
Hilfe der Zeichnung näher erläutert, in der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Ätzvorrichtung für Polysilizium;
Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung zur Erläuterung des
erfindungsgemäßen Ätzverfahrens für Polysilizium; und
Fig. 3 eine graphische Darstellung des erfindungsgemäßen
Ätzverfahren für Polysilizium nach Fig. 2.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
näher erläutert.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist die erfindungsgemäße
Ätzvorrichtung für Polysilizium eine Ätzgasversorgungsquelle 10
auf, um Gas aus einer durch Ionenbindung unterschiedlicher
Elemente des Periodensystems gebildeten Halogenverbindung mit
geringer Bindungsenergie und ein NF3-Gas mit einem niedrigen
Siedepunkt und hoher Reaktivität von 63 kcal/mol, der
Bindungsenergie zwischen N und F, bereitzustellen.
Als Ätzgas sind Cl2-Gas und Gas eine-r Halogenverbindung mit
einer hohen Bindungsenergie, die durch die kovalente Bindung
gleicher periodischer Elemente des Periodensystems gebildet
wird, ausgeschlossen.
Dementsprechend können Halogengase wie ClF3, BrF5, IF3, ClF,
BrF3, IF5 und BrF mit geringer Bindungsenergie verwendet
werden, die durch die Ionenbindung erzielt wird. Der
Schmelzpunkt von ClF3 liegt bei -76,3 °C und der Siedepunkt bei
11,7 °C. Bei Zimmertemperatur (ca. 18 °C) hat es einen geringen
Dampfdruck, und die Bindungsenergie zwischen Cl und F beträgt
61,4 kcal/mol, so daß Cl-F wegen dieser geringen
Bindungsenergie verglichen mit anderen Ätzgasen wie CF4
instabil ist.
Die erfindungsgemäße Ätzvorrichtung weist ferner eine
Trägergasversorgungsquelle 12 auf, die ein Trägergas,
beispielsweise N2- oder Ar-Gas, zum Mitführen des Ätzgases
bereitstellt.
Die Ätzvorrichtung weist ferner einen Diffusor 14 auf, an dem
die Ätzgasversorgungsquelle 10 bzw. die
Trägergasversorgungsquelle 12 angeschlossen sind und von der
die von diesen Quellen zugeführten Gase einfach gemischt werden
können.
Der Diffusor 14 ist außerdem mit der Prozeßkammer 18 verbunden,
welche ein Schiff 20 aufweist, in dem mehrere Wafer angeordnet
werden können. Auf der oberen Seite des Wafers, wie aus Fig. 2
ersichtlich, sind eine Oxidschicht 32 und eine
Polysiliziumschicht 34 aufeinander ausgebildet, und ein in
Fig. 2 nicht dargestelltes Photolackmuster ist auf der
Polysiliziumschicht 34 ausgebildet.
Die Innenwand der Prozeßkammer 18 ist aus Aluminium.
Außerhalb der Prozeßkammer 18 ist ein Heizgerät 16 mit einer
Heizspule oder einer Lampe zur Heizung der Prozeßkammer 18
angeordnet.
Eine Hochvakuumpumpe 24, beispielsweise eine Trockenpumpe, ist
mit der Prozeßkammer 18 verbunden.
Mit Hilfe der Hochvakuumpumpe 24 wird der Druck in der
Prozeßkammer 18 auf 0,5 bis 3 Torr eingestellt und gehalten und
durch Anlegen einer bestimmten Spannung an die in dem Heizgerät
angeordnete Heizspule oder den Betrieb der Lampe wird die
Temperatur innerhalb der Prozeßkammer 18 über dem Siedepunkt
des Ätzgases unter 800°C eingestellt und gehalten.
Das aus den Halogengasen, beispielsweise ClF3, BrF5, IF3, ClF,
BrF3, IF5 und BrF usw., ausgewählte Ätzgas wird aus der
Ätzgasversorgungsquelle 10 dem Diffusor 14 zugeführt und das
Trägergas, beispielsweise N2, wird aus der
Trägergasversorgungsquelle 12 dem Diffusor 14 zugeführt.
Das Ätzgas und das Trägergas werden in dem Diffusor 14 gemischt
und der Prozeßkammer 18 zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird das
Ätzgas mit einer Geschwindigkeit von 100 bis 1000 SCCM dem
Diffusor 14 zugeführt und das Trägergas mit einer
Geschwindigkeit von 300 bis 4000 SCCM dem Diffusor 14
zugeführt.
Das Ätzgas wird entsprechend der Temperatur und dem Druck in
der Prozeßkammer 18 im Radikalzustand überführt. Ein bestimmter
Bereich des Wafers 22 wird von dem Ätzgas im Radikalzustand
isotrop geätzt. Normalerweise weist das Ätzgas im
Radikalzustand isotrope Atzeigenschaften und im Ionen-Zustand
anisotrope Eigenschaften auf.
Da die Innenwand der Prozeßkammer 18 aus einer
Aluminiumverbindung ist, wird beim isotropen Ätzen des Wafers
mit dem Ätzgas ein Angreifen oder Anätzen der Innenwand der
Prozeßkammer 18 durch das Ätzgas verhindert.
Nach dem Ätzvorgang wird das in der Prozeßkammer verbliebene
Gas unter Verwendung eines Restgasanalysator (Residual Gas
Analyzer, RGA) für das Spektrum analysiert, welches die
Intensität der Elektronen entsprechend der Elementmasse nach
Ionisieren des zugeführten Gases zeigt. Das Ergebnis ist in
Fig. 3 dargestellt.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, reagiert durch das Vorhandensein
von SiF3⁺ und SiF⁺ das Silizium der auf dem Wafer 22
ausgebildeten Polysiliziumschicht und das Fluor des Ätzgases
ClF3 chemisch miteinander, um SiFx, SiClx, usw. zu bilden. Aus
N⁺ und N2⁺ wird das N2-Gas als Trägergas verwendet.
Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die
Temperatur in der Prozeßkammer geändert, die anderen
Prozeßbedingungen bleiben jedoch gleich. Wie aus Fig. 2
ersichtlich, werden eine Oxidschicht 32 und eine
Polysiliziumschicht 34 nacheinander auf den Wafer 22
aufgetragen, und ein in der Zeichnung nicht dargestelltes
Photolackmuster wird auf der Polysiliziumschicht 34
ausgebildet. Dann wird die auf dem Wafer 22 ausgebildete
Polysiliziumschicht 34 für eine bestimmte Zeit geätzt. Das
Ergebnis ist in der folgenden Tabelle dargestellt.
Wie aus dieser Tabelle 1 ersichtlich, wird, wenn die
Temperatur in der Prozeßkammer auf 400°C gehalten wird, die
Polysiliziumschicht mit einer Ätzrate von 1000 Å/min geätzt,
und die Oxidschicht wird nicht geätzt.
Wenn die Temperatur in der Prozeßkammer auf 500 °C gehalten
wird, wird die Polysiliziumschicht mit einer Ätzrate von 1800
Å/min geätzt und die Oxidschicht mit einer Ätzrate von 20 Å/min
geätzt.
Wenn die Temperatur in der Prozeßkammer auf 600 °C gehalten
wird, wird die Polysiliziumschicht mit einer Ätzrate von 3000
Å/min geätzt und die Oxidschicht mit einer Ätzrate von 30 Å/min
geätzt.
Wenn die Temperatur in der Prozeßkammer auf 700 °C gehalten
wird, wird die Polysiliziumschicht mit einer Ätzrate von 5700
Å/min geätzt und die Oxidschicht mit einer Ätzrate von 60 Å/min
geätzt.
Wenn die Temperatur in der Prozeßkammer auf 800 °C gehalten
wird, wird die Polysiliziumschicht mit einer Ätzrate von 9500
Å/min geätzt und die Oxidschicht mit einer Ätzrate von 140
Å/min geätzt.
Wenn die Temperatur in der Prozeßkammer auf 400 bis 800°C
gehalten wird, so liegt die Selektivität der Polysilizium
schicht zu der Oxidschicht über 20 : 1, welches dem
erforderlichen Verhältnis in einem normalen
Halbleiterätzverfahren entspricht.
Gemäß der Erfindung wird daher die Polysiliziumschicht unter
Verwendung von Gas einer Halogenverbindung isotrop geätzt, die
durch die Verbindung von in anderen Periodenlinien des
Periodensystems angeordneten Gasen mit einer geringen
Bindungsenergie und NF3-Gas gebildet wird.
Claims (18)
1. Ätzverfahren für Polysilizium, bei dem:
ein Wafer (22) mit einer Polysiliziumschicht (34) auf einer auf dem Wafer ausgebildeten bestimmten Schicht in eine Prozeßkammer (18) eingeführt wird;
der Druck und die Temperatur in der Prozeßkammer (18) jeweils innerhalb eines vorbestimmten Bereichs eingestellt werden; und
ein Ätzgas mit Halogenverbindung der Prozeßkammer (18) zugeführt wird, um die Polysiliziumschicht (34) zu ätzen.
ein Wafer (22) mit einer Polysiliziumschicht (34) auf einer auf dem Wafer ausgebildeten bestimmten Schicht in eine Prozeßkammer (18) eingeführt wird;
der Druck und die Temperatur in der Prozeßkammer (18) jeweils innerhalb eines vorbestimmten Bereichs eingestellt werden; und
ein Ätzgas mit Halogenverbindung der Prozeßkammer (18) zugeführt wird, um die Polysiliziumschicht (34) zu ätzen.
2. Ätzverfahren für Polysilizium nach Anspruch 1, bei dem die
bestimmte Schicht eine Oxidschicht (32) ist.
3. Ätzverfahren für Polysilizium nach Anspruch 1, bei dem der
Druck in der Prozeßkammer (18) in dem Bereich von 0,5 bis 3
Torr liegt.
4. Ätzverfahren für Polysilizium nach Anspruch 3, bei dem die
Temperatur in der Prozeßkammer (18) über dem Siedepunkt des
Ätzgases unter 800°C liegt.
5. Ätzverfahren für Polysilizium nach Anspruch 4, bei dem das
Halogenverbindungen aufweisende Ätzgas durch die Verbindung
unterschiedlicher periodischer Elemente des Periodensystems
ausgebildet wird.
6. Ätzverfahren für Polysilizium nach Anspruch 5, bei dem das
Ätzgas ClF3-Gas ist.
7. Ätzverfahren für Polysilizium nach Anspruch 5, bei dem das
Ätzgas aus den Gasen BrF5, IF3, ClF, BrF3, IF5 und BrF
ausgewählt wird.
8. Ätzverfahren für Polysilizium nach Anspruch 1, bei dem das
Ätzgas NF3 ist.
9. Ätzverfahren für Polysilizium nach Anspruch 1, bei dem ein
Trägergas der Prozeßkammer (18) zugeführt wird.
10. Ätzverfahren für Polysilizium nach Anspruch 9, bei dem das
Trägergas N2- oder Ar-Gas ist.
11. Ätzverfahren für Polysilizium nach Anspruch 10, wobei das
Ätzgas mit 100 bis 1000 SCCM und das Trägergas mit 300 bis 4000
SCCM der Prozeßkammer (18) zugeführt werden.
12. Ätzvorrichtung für Polysilizium mit:
einer Ätzgasversorgungsquelle (10), um ein Ätzgas bereitzustellen, das durch die Verbindung unterschiedlicher periodischer Elemente des Periodensystems gebildete Halogenverbindungen oder NF3-Gas aufweist;
einer an die Ätzgasversorgungsquelle (10) angeschlossenen Prozeßkammer (18) mit einem Temperaturregler; und
einer an die Prozeßkammer (18) angeschlossenen Hochvakuumleitung zur Regelung des Drucks in der Prozeßkammer (18).
einer Ätzgasversorgungsquelle (10), um ein Ätzgas bereitzustellen, das durch die Verbindung unterschiedlicher periodischer Elemente des Periodensystems gebildete Halogenverbindungen oder NF3-Gas aufweist;
einer an die Ätzgasversorgungsquelle (10) angeschlossenen Prozeßkammer (18) mit einem Temperaturregler; und
einer an die Prozeßkammer (18) angeschlossenen Hochvakuumleitung zur Regelung des Drucks in der Prozeßkammer (18).
13. Ätzvorrichtung für Polysilizium nach Anspruch 12, bei der
eine Trägergasversorgungsquelle (12), um Trägergas zuzuführen,
mit der Prozeßkammer (18) verbunden ist.
14. Ätzvorrichtung für Polysilizium nach Anspruch 13, wobei die
Ätzgasversorgungsquelle (10) und die Trägergasversorgungsquelle
(12) mit einem Diffusor (14) verbunden sind und der Diffusor
(14) mit der Prozeßkammer (18) verbunden ist.
15. Ätzvorrichtung für Polysilizium nach Anspruch 14, wobei der
Temperaturregler ein Heizgerät (16) ist, welches außerhalb der
Prozeßkammer (18) angeordnet ist.
16. Ätzvorrichtung für Polysilizium nach Anspruch 15, wobei
eine Heizspule oder eine Lampe innerhalb des Heizgeräts (16)
vorgesehen ist.
17. Ätzvorrichtung für Polysilizium nach Anspruch 16, wobei
eine Trockenpumpe mit der Hochvakuumleitung verbunden ist.
18. Ätzvorrichtung für Polysilizium nach Anspruch 12, wobei die
Innenwand der Prozeßkammer (18) mit einer Aluminiumverbindung
versehen ist.
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