DE19955145A1 - Verfahren zum anisotropen plasmachemischen Trockenätzen von Silizimnitrid-Schichten mittels eines Fluor enthaltenden Gasgemisches - Google Patents
Verfahren zum anisotropen plasmachemischen Trockenätzen von Silizimnitrid-Schichten mittels eines Fluor enthaltenden GasgemischesInfo
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Abstract
Bekannte Verfahren zum anisotropen plasmachemischen Trockenätzen von Siliziumnitrid-Schichten verwenden neben Fluor im Gasgemisch üblicherweise Sauerstoff oder Halogenide, um die Ätzraten zu verbessern. Diese sind insbesondere für Reaktorräume mit oxidierenden Elektroden ungeeignet. Eine Kantenwinkelkontrolle der Siliziumnitridschicht war bisher schwierig. DOLLAR A Indem eine Mischung aus CHF¶3¶ und SF¶6¶ sowie einem nichtoxidierenden Gas verwendet wird, kann einerseits aufgrund des Verzichts auf Sauerstoff und Halogenide eine Eignung für Reaktoren mit oxidierenden Elektroden erreicht werden, andererseits ergibt eine Mischung gerade aus CHF¶3¶ und SF¶6¶ in unerwarteter Weise sehr gute Prozeßeigenschaften. So kann damit eine genaue Einstellung des Kantenwinkels der zu ätzenden Si¶3¶N¶4¶-Schicht erfolgen und gleichzeitig eine gute Selektivität zu einer Siliziumoxidschicht erzielt werden. DOLLAR A Verwendung insbesondere zur Freilegung darunterliegender Siliziumoxidschichten.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum anisotropen plasmachemischen
Trockenätzen von Siliziumnitridschichten mittels eines Gasgemisches das SF6
und CHF3 enthält, gemäß des Oberbegriff des Patentanspruch 1.
Das plasmachemische Trockenätzen, auch RIE-Ätzen genannt, wird bei der
Herstellung von Halbleiterschaltkreisen angewandt. Vorteil des
Trockenätzens gegenüber einer Naßätzung ist, daß damit Strukturen unter
1 µm hergestellt werden können. Dies ist beispielsweise für die Herstellung
von integrierten Schaltkreisen mit SiGe Transistoren notwendig.
Aus US 5 433 823 ist ein Verfahren zur sogenannten Padfensterätzung
bekannt, das eine Mischung aus SF6 und CHF3 verwendet. Die verwendeten
Gasflüsse liegen für CHF3 bei 180 sccm für SF6 bei 20 sccm. Das darin
beschriebene Verfahren dient zur Ätzung von einer passivierenden
Halbleiterschichtfolge von ca 1 µm dicken Schicht aus Si3N4 und einer
darunterliegenden ca 0.5 µm dicken Schicht aus SiO2, die selektiv zu einer
unter den beiden Halbleiterschichten liegenden Metallschicht aus TiW
geätzt wird. Die zu ätzenden Strukturgrößen liegen dabei im Bereich von
100 µm. Aus der Tabelle 3 in US 5 433 823 ergibt sich, daß durch Zugabe von
CHF3 zu SF6 die SeleKtivität von Siliziumnitrid zu Siliziumoxid von 1.6 auf 0.8
abnimmt.
Bei bekannten Verfahren werden CF4, CHF3 oder andere fluorhaltige Gase zu
sammen mit O2 eingesetzt, wie beispielsweise der WO96/16437 entnommen
werden kann. Aus der EP 0 706 206 A2 ist ebenfalls ein Ätzverfahren
bekannt, bei dem CF4 + O2 eingesetzt wird.
Für alle Trockenätzverfahren unter Verwendung von O2 als ein Bestandteil
des Gasgemisches ergibt sich der wesentliche Nachteil, daß dies nicht für
Reaktorräumen von Trockenätzanlagen mit oxidierenden
Elektrodenmaterialen, wie Silizium oder Kohlenstoff, einsetzbar ist, da diese
unter Sauerstoffeinfluß angegriffen würden.
Ein anderes Verfahren ist beispielsweise aus der DE 37 14 144 C2 bekannt.
Dort wird vorgeschlagen, als Gasgemisch ein fluorhaltiges Gas mit Chlor
oder Brom einzusetzen. Da diese Gase korrosiv und giftig sind, können sie
ebenfalls nicht in allen Reaktoren eingesetzt werden.
Aus der DE 42 32 475 A1 ist ein plasmachemisches Trockenätzverfahren für
Siliziumnitridschichten selektiv zu Siliziumoxidschichten zu entnehmen, bei
denen als Ätzgase Verbindungen eingesetzt werden, bei denen jeweils ein
Fluoratom und mindestens ein Atom aus der Gruppe Chlor, Brom und Jod in
der Molekülstruktur an ein Kohlenstoffgerüst chemisch gebunden sind.
Aus der WO 96116433 ist ein anisotropes und selektives Trockenätzverfahren
für Siliziumnitride über dünnen Siliziumoxidschichten zu entnehmen, bei
dem nur Cl2 als Ätzgas eingesetzt wird, was zu sehr niedrigen Ätzraten führt,
die für dickere Schichten nicht praktikabel sind.
Auch aus der EP 0 516 053 A2 kann ein Verfahren entnommen werden, bei
dem als Ätzgas eine Mischung von S2F2, SF2, SF4 oder S2F10 mit einem Edelgas
verwendet wird, um SiO2 selektiv zu Si3N4 zu ätzen. Dabei wird beschrieben,
daß der freiwerdende Schwefel sich als passivierende Sicht an Si3N4-Flächen
bildet und das Ätzen des Si3N4 verhindert.
Neben den oben genannten Nachteilen beim Einsatz von Sauerstoff und
Halogeniden (Cl2, Br) haben Untersuchungen der Anmelderin gezeigt, daß
alle bisherigen bekannten Prozesse keine ausreichende Kontrolle des
Kantenwinkels der zu ätzenden Siliziumnitridschicht erlauben. Mit
Ausnahme des bekannten Padfensterprozesses gemäß der oben erwähnten
US 5 433 823 sind bei den in der Literatur beschriebenen Prozessen die Si3N4-
Dicken kleiner als etwa 150 nm, so daß eine Kontrolle des Kantenwinkels
nicht notwendig ist. Liegt die Schichtdicke oberhalb von 150 nm bzw hat
der Kantenwinkel für das zu erzeugende Bauelement eine wichtige
Funktion, reichen die bisherigen Verfahren nicht aus.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs
beschriebenen Art vorzustellen, das eine genaue Einstellung des
Kantenwinkels einer zu ätzenden Siliziumnitridschicht bei gleichzeitig guter
Selektivität zu einer unterliegenden SiO2 Schicht erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durchgeführt, indem ein
nichtoxidierendes Gas dem Gasgemisch aus CHF3 und SF6 hinzugefügt wird.
Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, daß die erfindungsgemäße
Mischung von CHF3 und SF6 sowie einem nichtoxidierenden Gas in un
erwarteter Weise sehr gute Prozeßeigenschaften zeigt, insbesondere eine
gute Selektivität von Siliziumnitrid zu Siliziumoxid bei hohen Ätzraten und
sich gleichzeitig der Kantenwinkel der zu ätzenden Siliziumnitridschicht
einstellen läßt. Offensichtlich dienen diese beiden Gase nicht nur als
Lieferanten des ätzenden Fluors, sondern gerade die Mischung der
Bestandteile aus Kohlenwasserstoff und Schwefel mit einem
nichtoxidierenden Gas führt zu den unerwartet neuen Eigenschaften. Dabei
fungiert das nichtoxidierende Gas nicht als Trägergas, sondern stellt über
eine Wechselwirkung mit den anderen Gasen eine aktive Ätzkomponente
dar. Vorteil der hohen Siliziumnitridätzraten ist es, daß bei definiertem
Kantenwinkel auch dicke Siliziumnitridschichten, deren Dicke 200 nm
übersteigen kann, in geringer Prozeßzeit sich ätzen lassen. Weiterer Vorteil
des erfindungsgemäßen Verfahren ist es, daß, sofern ein senkrechter
Kantenwinkel der zu ätzenden Siliziumnitridschicht eingestellt wird, diese
Kante in nachfolgenden Prozeßschritten mit beispielsweise einem
Siliziumoxidspacer versehen werden kann.
Wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für das nichtoxidierende Gas
ein Edelgas, beispielsweise Argon eingesetzt, kann bereits bei kleinen
Zugaben von CHF3 zu SF6 eine Selektivität von Siliziumnitrid zu Siliziumoxid
bis über 2 erreicht werden. Von Vorteil beispielsweise von Argon im
Vergleich Helium ist dabei, daß sich vermutlich über das verhältnismäßig
hohe Atomgewicht von Argon, eine besonders gute Gleichmäßigkeit der
Siliziumnitridätzrate über der Siliziumscheibenfläche erreichen läßt. Damit
ist es möglich, mit kurzen Überätzzeiten, beispielweise 15% der
Gesamtätzzeit, die Siliziumnitridschicht vollständig zu entfernen. Durch
entsprechende Wahl der Prozeßparameter des Trockenätzprozesses,
insbesondere der Flüsse des Gasgemisches, des Druckes in der
Reaktorkammer der Trockenätzanlage, der Plasmaleistung des RF-Generators
und des Elektrodenabstandes kann damit ein Kantenwinkelbereich von über
20 Grad abgedeckt werden.
Durch den Zusatz eines nichtoxidierendem Gas, anstelle von Sauerstoff und
Halogeniden zu SF6 und CHF3 ist das erfindungsgemäße Verfahren auch in
Reaktorräumen mit oxidierenden Elektroden anwendbar.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der
Zeichnungsunterlagen Fig. 1 bis Fig. 7 näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 den Aufbau der Halbleiterschichten im bereits geätzten Zustand,
Fig. 2 die Abhängigkeit des Kantenwinkels für einen Argonfluß von
100 sccm, als Funktion des SF6 Gasflusses, parametrisiert nach CHF3,
Fig. 3 die Abhängigkeit des Kantenwinkels für einen Argonfluß von 500 sccm,
als Funktion des SSF6 Gasflusses, parametrisiert nach CHF3,
Fig. 4 die Abhängigkeit des Kantenwinkels für einen Argonfluß von 100 sccm,
als Funktion der CHF3 Gasflusses, parametrisiert nach SSF6,
Fig. 5 die Abhängigkeit des Kantenwinkels für einen Argonfluß von 500 sccm,
als Funktion der CHF3 Gasflusses, parametrisiert nach SSF6,
Fig. 6 die Abhängigkeit der Selektivität von Siliziumnitrid zu Siliziumoxid für
einen Argonfluß von 100 sccm, als Funktion der Gasflüsse SSF6 und CHF3,
parametrisiert nach SSF6
Fig. 7 die Abhängigkeit der Selektivität von Siliziumnitrid zu Siliziumoxid für
einen Argonfluß von 500 sccm, als Funktion der Gasflüsse SF6 und CHF3,
parametrisiert nach SSF6.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 wird zunächst anhand eines Querschnitts,
der den bereits geätzten Zustand zeigt, die Schichtfolge der
Halbleiterstruktur erklärt. Prozeßtechnischer Ausgangspunkt ist das
Aufbringen einer ersten Halbleiterschicht 2 aus SiO2 auf ein
Ausgangsmaterial 3, beispielsweise bestehend aus Silizium. Bei Silizium kann
dies sowohl durch thermische Siliziumoxidation des Grundmaterials 3, als
auch durch Abscheiden in einer CVD oder PECVD Anlage erfolgen.
Anschließend wird eine zweite Halbleiterschicht 1 aus Si3N4 aufgebracht,
deren Dicke durchaus 400 nm und mehr annehmen kann. Eine solche dicke
Siliziumnitridschicht ist beispielsweise erforderlich, um an der geätzten
Kante der Siliziumnitridschicht einen Siliziumoxidspacer erzeugen zu
können. Die Abscheidung der Siliziumnitridschicht kann in einem vertikal
System (VTR-Reaktor) wie auch in einer CVD/PECVD Anlage erfolgen. Im
anschließenden Gelbraumprozeß wird eine Lackschicht 4 aufgebracht und
fotochemisch strukturiert. Danach wird die zweite Halbleiterschicht 1,
bestehend aus Siliziumnitrid in einer konventionellen RIE-Anlage nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren strukturiert. Hierzu wird eine Gasmischung
aus SSF6 und CHF3 sowie einem weiteren nichtoxidierenden Gas zugeführt. Als
nichtoxidierendes Gas wird meist ein Edelgas, beispielweise Argon,
eingesetzt. Durch Wahl der Prozeßparameter Druck, Plasmaleistung und
Gasflüsse wird dabei der Kantenwinkel α der zu ätzenden
Siliziumnitridschicht 1 und die Selektivität, d. h. das Verhältnis der Ätzrate
von Siliziumnitrid zu Siliziumoxid genau eingestellt.
Für das Ätzen der Siliziumnitridschicht 1 mit einer Dicke von 400 nm führt
beispielweise ein Druck von ca. 450 mTorr, eine Plasmaleistung von
300 Watt, ein Argonfluß von ca. 500 sccm, ein SSF6-Fluß von ca. 200 sccm und
ein CHF3 Fluß von ca. 7 sccm zu einer Selektivität von etwa 2 von Si3N4 zu
SiO2 und zu einem senkrechten Kantenwinkel. Das zur Anlage gehörige
optische Endpunkterkennungssystem erlaubt eine automatische
Abschaltung des Ätzvorganges, sobald das Erreichen des Endpunktes
angezeigt wird. Wichtig dabei ist, daß nach Erkennung des Endpunktsignals
die Überätzzeit kurz gehalten wird, um möglichst wenig von der
unterliegenden Siliziumoxidschicht 2 zu verlieren. So erfordert eine 400 nm
dicke Siliziumnitridschicht 1 in Verbindung mit der Selektivität von 2 und
der notwendigen Überätzzeit die stattfinden muß, um eine sichere
Entfernung der Siliziumnitridschicht auf der gesamten Silizium Scheibe zu
gewährleisten, eine Siliziumoxiddicke von mindestens 40 nm.
Die Fig. 2-7 zeigen für einen Teil des untersuchten Prozeßparameter
bereiches die funktionalen Abhängigkeiten des Kantenwinkels α als auch der
Selektivität von den Gasflüssen. Dabei wurde als Beispiel für ein nicht
oxidierendes Gas Argon verwendet.
Es zeigt sich in Fig. 2 und Fig. 3, daß bei einem niedrigen Argonfluß der
Kantenwinkel α mit zunehmenden SF6-Fluß linear um mehr als 7 Grad steigt,
demhingegen bei hohem Argonfluß der Kantenwinkel mit zunehmenden
SSF6-Fluß linear fällt. Wird hingegen der CHF3-Fluß, wie in Fig. 4 und Fig. 5
dargestellt, variiert, zeigt sich, daß bei steigendem CHF3-Fluß der
Kantenwinkel ab 10 sccm stark fällt. Sofern senkrechte Siliziumnitridkanten
erforderlich sind, wird entsprechend der dargestellten Abhängigkeit bei
CHF3-Flüssen um 10 sccm gearbeitet.
Für die Selektivität von Siliziumnitrid zu Siliziumoxid bei beispielsweise
einem SF6-Fluß von 50 sccm ergibt sich aus Fig. 6 und Fig. 7, daß bei
niedrigem Argonfluß die Selektivität mit steigendem CHF3-Fluß konstant
bleibt, demhingegen sie bei hohen Argonflüssen mit steigendem CHF3-Fluß
ebenfalls steigt.
Bei dem erfindungsgemäßen Trockenätzverfahren liegen die
grundsätzlichen Prozeßparameter, wie der Druck in einem Bereich von 200-500
mTorr, die Plasmaleistung in einem Bereich von 100-600 Watt, der
Argonfluß in einem Bereich von 100 bis 700 sccm, der SF6-Fluß in einem
Bereich von 30 bis 300 sccm und der CHF3-Fluß in einem Bereich von 1 bis 50
sccm, wobei die konkrete Zusammenstellung der Prozeßparameter von den
Bedingungen des Einzelfalls, wie in den Abb. 2-4 dargestellt,
insbesondere von der gewünschten Ätzrate und des Kantenwinkels sowie
der Selektivität abhängt. Des weiteren wird die Siliziumscheibe auf der
Rückseite mit Helium gekühlt und so auf einer Temperatur von ca. 0 Grad
Celsius gehalten. Aufgrund seines guten Durchsatzes infolge der hohen
Siliziumnitridätzrate und seiner guten Gleichmäßigkeit ist der Prozeß
fertigungstauglich.
Claims (8)
1. Verfahren zum anisotropen plasmachemischen Trockenätzen von einer
ersten Halbleiterschicht (1) aus Si3N4 mit einer deren Oberfläche
maskierenden Schicht (4) und einer unter der ersten Halbleiterschicht
liegenden zweiten Halbleiterschicht (2) aus SiO2 mittels eines Gasgemisches
das SF6 und CHF3 dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des
Kantenwinkels α der zu ätzenden ersten Halbleiterschicht (1) im
Kantenbereich der zu maskierenden Schicht (4) und zur Einstellung der
Selektivität der Ätzung zwischen der ersten Halbleiterschicht (1) und der
zweiten Halbleiterschicht (2) ein nichtoxidierendes Gas dem Gasgemisch
hinzugefügt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als nicht
oxidierendes Gas ein Edelgas verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Edelgas
Argon (Ar) verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Einstellung des Kantenwinkels α und einer bestimmten Selektivität die
Prozeßparameter beim anisotropen plasmachemischen Trockenätzen
variiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß als
Prozeßparameter die Flüsse des Gasgemisches, der Druck, die Plasmaleistung
und der Elektrodenabstand variiert werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Kantenwinkels im Bereich von 75
bis 95 Grad und zur Einstellung der Selektivität der ersten Halbleiterschicht
(1) zur zweiten Halbleiterschicht (2) im Bereich von 1.5 bis 2.2, der SF6-Fluß
zwischen 50 und 300 sccm, der CHF3-Fluß zwischen 1 und 20 sccm, und der Ar-
Fluß zwischen 100 und 700 sccm eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß mit einem SF6-Fluß von 200 sccm, und einem CHF3-
Fluß von 7 sccm und einem Ar-Fluß von 500 sccm ein Kantenwinkel α von 90
Grad und eine Selektivität der ersten Halbleiterschicht zur zweiten
Halbleiterschicht von 1.9 eingestellt wird.
8. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen
Ansprüche in Reaktoren mit oxidierenden Elektroden.
Priority Applications (4)
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| EP99123893A EP1014434B1 (de) | 1998-12-24 | 1999-12-02 | Verfahren zum anisotropen plasmachemischen Trockenätzen von Siliziumnitrid-Schichten mittels eines Fluor-enthaltenden Gasgemisches |
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