DE3043517C2

DE3043517C2 -

Info

Publication number: DE3043517C2
Application number: DE19803043517
Authority: DE
Inventors: Hideo Tokio/Tokyo Jp Komatsu; Tatsumi Kokubunji Tokio/Tokyo Jp Mizutani; Shinya Tama Tokio/Tokyo Jp Iida
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-11-21
Filing date: 1980-11-18
Publication date: 1987-06-25
Also published as: DE3043517A1; JPS5719569B2; JPS5673438A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines mit einem Gasentladungsplasma ausgeführten Siliziumnitrid- Trockenätzverfahren, bei dem die Zusammensetzung des Ätz gases überwacht wird.

In den letzten Jahren, in denen elektronische Bauelemente wie beispielsweise integrierte Halbleiterschaltungen immer kleiner ausgebildet wurden, sind ständig intensive Unter suchungen und Anstrengungen unternommen worden, ein Trocken ätzverfahren unter Verwendung eines Gasentladungsplasmas zu entwickeln, mit dem sehr kleine Bauelemente mit hoher Ge nauigkeit bearbeitet werden können. Gegenwärtig werden die bisher verwandten herkömmlichen Naßätzverfahren, bei denen Lösungen verwandt werden, durch derartige Trockenätzverfah ren ersetzt.

Dünne Siliziumnitridschichten bilden eine Barriere gegenüber Wasser und Verunreinigungsionen und weisen wenige feine Lö cher auf. Durch die geeignete Wahl der Zusammensetzung des Siliziumnitrids können die mechanischen Eigenschaften der Siliziumnitridschicht verbessert werden und können Beschädi gungen wie beispielsweise Risse verringert werden. Aufgrund dieser Eigenschaften hat Siliziumnitrid eine breite Verwen dung als Isolierschicht für verschiedenste Arten von Halb leiteranordnunge oder als Ätzmaske für verschiedene Halb leiterbauelementen gefunden. Mit Siliziumnitrid ist es möglich, eine Trockenätzung von elektronischen Bauelementen mit dem Plasma von Kohlenstofftetrafluorid oder Fluorkohlenwasser stoff vorzunehmen, die Gasgemische enthalten.

Ein Nachteil des Trockenätzverfahrens besteht darin, daß sich die Ätzgeschwindigkeit ändert. Das ergibt sich aus der Tatsache, daß es schwierig ist, die Reinheit des zu ionisierenden Gases genau zu steuern, daß die Oberflächen temperatur des zu ätzenden Bauelementenchips sich leicht ändert und daß die Anzahl der Bauelementenchips sich jedes mal ändert, wenn diese in die Ätzvorrichtung geladen wer den. Aufgrund dieser Änderung der Ätzgeschwindigkeit ist es beim Trockenätzen im allgemeinen erforderlich, den Ätz vorgang zu überwachen, was auch für das Trockenätzen von Siliziumnitrid gilt.

Wenn das Ende des Ätzvorganges, d. h. das Durchätzen der zu ätzenden Schicht falsch ermittelt wird, wird im Ergebnis eine Unterätzung oder eine Überätzung erhalten. Bei einer Unterätzung kann das gewünschte Muster der Siliziumnitrid schicht nicht erhalten werden, während bei einer Überätzung ein sogenannter Unterschnitteffekt erzeugt wird, bei dem die Schicht unter der Maske geätzt wird, was die Genauigkeit des Musters beeinträchtigt. Im allgemeinen hat das Trockenätzen eine geringere Selektivität als das Naßätzen, was leicht dazu führen kann, daß die Unterschicht geätzt wird. Es ist somit wesentlich, das Ende des Ätzvorganges genau zu erfassen, um das Ätzmuster mit hoher Genauigkeit zu erhalten.

Es sind bereits verschiedene Verfahren zum Überwachen eines Trockenätzverfahrens z. B. Verfahren entwickelt worden, die über eine Massenanalyse, mit elektrischen Fühlern, über eine Spektralanalyse oder über die Lichtinterferenz arbeiten. Die Verfahren, die über die Spektralanalyse und die Lichtin terferenz arbeiten, haben gegenüber anderen Verfahren den Vorteil, daß sie nicht kostspielig sind, leicht durchgeführt werden können und die Plasmaverhältnisse nicht ändern.

Die Anwendung eines Lichtinterferenzverfahrens ist jedoch insofern begrenzt, als es beim Ätzen von Materialien, wie Aluminium die Licht reflektieren, nicht anwendbar ist. Außerdem erfordert dieses Verfahren eine direkte Beobach tung der geätzten Oberfläche, was der Ausbildung der zuge hörigen Vorrichtung verschiedene Grenzen setzt. Darüber hin aus ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Lichtinter ferenzverfahrens schwieriger zu handhaben als es bei einem Verfahren unter Verwendung der Spektralanalyse ist, da der Anwender eine Einstellung der Lichtachse vornehmen muß. Weiterhin haben Trockenätzvorrichtungen häufig einen Aufbau, bei dem ein Elektrodentisch mit einer darauf befindlichen Probe gedreht wird, um die gesamte Oberfläche der Probe gleichmäßig zu ätzen. Bei einem derartigen Aufbau kann ein über die Lichtinterferenz arbeitendes Verfahren nicht die gewünschte Überwachungsgenauigkeit erzielen. Daraus läßt sich derzeit schließen, daß das Spektralanalyseverfahren das am besten geeignete Verfahren zum Überwachen eines Trockenätz verfahrens ist.

Bei Spektralanalyseverfahren wird die Intensität des Emis sionsspektrums von Fluor gemessen. Das schafft jedoch Prob leme bei der Umsetzung dieses Verfahrens in seine praktische Anwendung. Bei diesem Verfahren wird nämlich die Tatsache aus genutzt, daß die aus dem Fluorkohlenwasserstoffgas erzeugten F-Radikale im ionisierten Zustand des Gases sich mit Silizium verbinden, so daß ein Unterschied in der Dichte der F-Radika le vor und nach Beendigung des Ätzvorganges besteht. Wenn je doch bei diesem Verfahren die Unterschicht des Siliziumnitrids aus Silizium besteht, so wird die Siliziumunterschicht gleich falls von den F-Radikalen geätzt, so daß es schwierig ist, das Ende des Siliziumnitridätzvorganges zu erfassen. Da dieses Verfahren außerdem die Emission von F-Radikalen ausnutzt, die als Ätzmittel wirken, hängt das Maß der Schwankung in der Dich te der F-Radikale stark vom geätzten Oberflächenbereich ab.

Wenn daher die Anzahl der zu ätzenden Chips klein ist, ist eine fehlerfreie Ermittlung des Endes des Ätzvorganges nahe zu unmöglich. Beim Trockenätzen unter Verwendung eines Fluor kohlenwasserstoffgasplasmas ist es üblich, den Gasdruck, die Hochfrequenzleistung und das Ätzgas so zu wählen, daß die F-Radikale nicht leicht erzeugt werden, um die Selektivität der Ätzgeschwindigkeit und die Genauigkeit des Musters zu ver bessern. In diesem Fall ist es praktisch unmöglich, die Emis sion der F-Radikale für die Überwachung zu verwenden.

Aus "Solid State Technology", April 1979, Heft 4 Seite 109-116 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Siliziumnitrid- Trockenätzverfahrens bekannt, bei dem Si und SiO₂ mittels eines Gasentladungsplasmas von CF₄ mit einem Zusatz von O₂ geätzt werden. Ein Massenspektrometer dient dazu, die Zusam mensetzung des Ätzgases zu bestimmen, um hieraus Rückschlüsse auf die einzelnen Ätzprozesse und insbesondere auf die Abhän gigkeit der Ätzgeschwindigkeit von der Zusammensetzung des Ätzgases zu ziehen.

Ein Verfahren zum Trockenätzen von Silizium und Siliziumdioxid, bei dem die Abhängigkeit der Ätzgeschwindigkeit von der Zusam mensetzung des Ätzgases ermittelt wird, ist auch aus "Solid State Technology" 1979, Seite 117-123 bekannt. Bei diesem Ver fahren sind die Bestandteile des Ätzgases Sauerstoff, Wasser stoff, Stickstoff, Wasser, C₂F₄ und CF₄. Durch eine Messung der Konzentration beispielsweise des SiF^{+₃-Ions kann bei die
sem Verfahren auf die Abtragung der zur Anregung des Entla
dungsplasmas benutzten Elektrode geschlossen werden, da die
ses Ion aus der Ätzung der SiO₂-Anregungselektrode stammt.}

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht demgegen über darin, ein Verfahren zur Überwachung eines mit einem Gasentladungsplasma ausgeführten Siliziumnitrid-Trockenätz verfahrens der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der Moment der Beendigung des Ätzvorganges genau und leicht be stimmt werden kann.

Dazu wird gemäß der Erfindung zum Feststellen der Beendigung der Ätzung die Spektralintensität des beim Ätzen von Sili ziumnitrid emittierten SiH überwacht.

Vorteilhafterweise wird zur Überwachung der Spektralintensität von SiH die Intensität der Emission bei der Wellenlänge von 387,8 nm oder die Intensität des Massenspektrums bei einer Massenzahl von 29 und/oder 30 und/oder 31 kontrolliert.

Das beim Trockenätzen von Siliziumnitrid verwendete Gas ent hält weiterhin Fluor oder Fluorkohlenwasserstoff oder eines bzw. mehrere der Gase CF₄, C₂F₆, C₃F₈, C₄F₈, CCl₂F₂, SF₆.

Diesen Gasen können Sauerstoff, Stickstoff oder Inertgase hin zugefügt werden.

Das zu ätzende Siliziumnitrid ist insbesondere mittels eines CVD-Verfahrens oder mittels eines Plasma-CVD-Verfahrens aus einem SiH₄ enthaltenen Gas hergestellt worden.

Bei der Überwachung eines Siliziumnitrid-Trockenätzverfahrens mittels einer Spektralanalyse ist es naheliegend, daß das Emissionspektrum von N₂ oder Si verwandt wird, die beide Bestandteile des Siliziumnitrids sind. Beim Trockenätzen wird jedoch im allgemeinen in einem Druckbereich von 133 bis 1,33 Pa (1-0,01)Torr gearbeitet. In diesem Druckbereich besteht die Mög lichkeit, daß N₂ von außen in die Ätzvorrichtung eindringt, daß beim vorhergehenden Ätzvorgang erzeugtes N₂ in der Ätz vorrichtung verbleibt oder daß in der Ätzvorrichtung N₂ als Verunreinigung enthalten ist. Es ist somit schwierig, dieses N₂ von dem aus dem zu ätzenden Siliziumnitrid emittierten N₂ zu unterscheiden.

Wenn die Unterschicht des Siliziumnitrids aus Si besteht, ist es darüber hinaus schwierig, den Ätzvorgang über ein Emissionsspektrum zu überwachen.

Untersuchungen mit dem Emissionsspektrum von Fluorkohlenwas serstoffgas haben jedoch ergeben, daß ein großer Unterschied zwischen der Spektralintensität bei der Wellenlänge von 387,8 nm vor und nach Beendigung des Ätzvorganges besteht. Das heißt, daß die Spektralintensität bei dieser Wellenlänge während des Siliziumnitrid-Trockenätzvorganges bemerkenswert hoch ist. Die in Fig. 1 der Zeichnung dargestellte Kurve 1 zeigt die Änderung der Spektralintensität mit der Zeit für die Wellenlänge von 387,8 nm. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Spektralintensität nach Beginn der Entladung rasch auf einen bestimmten Wert ansteigt, auf dem sie für eine bestimmte Zeitdauer bleibt, und dann rasch auf einen relativ niedrigen Wert abnimmt. Dieses Spektrum bei der Wellenlänge von 387,8 nm wurde durch SiH-Emission erzeugt.

Im allgemeinen wird eine dünne Siliziumnitridschicht bei hoher Temperatur mit einem normalen chemischen Gasphasenabscheide verfahren, d. h. einem normalen CVD-Verfahren oder einem Plas ma-CVD-Verfahren hergestellt. Diese Verfahren verwenden im allgemeinen ein Gas, das SiH₄ enthält, um die Siliziumnitrid schicht auszubilden. Somit ist SiH, das vom SiH₄ stammt, in der Siliziumnitridschicht enthalten und wird dieses SiH emit tiert, wenn die Siliziumnitridschicht einer Trockenätzung un terzogen wird. SiH wird daher nur während des Ätzvorganges erzeugt. Das ist der Grund, warum die Spektralintensität bei der Wellenlänge von 387,8 nm rasch ansteigt, sobald die Ent ladung beginnt und drastisch abnimmt, wenn der Ätzvorgang endet.

Was im Zusammenhang mit der Spektralintensität von SiH erläu tert wurde, gilt auch für die Massenspektralintensität von SiH.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, die Trockenätzung so zu überwachen, daß genau der Moment bestimmt wird, an dem der Ätzvorgang endet, und zwar un abhängig von dem Material der unter der Siliziumnitrid schicht liegenden Unterschicht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der zeitlichen Intensitätsänderung des Emissionsspek trums von SiH und N₂, wenn Siliziumnitrid einer Trockenätzung unterworfen wird; und in

Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der zeitlichen Massenspektrum-Intensitätsänderung von SiH, wenn eine Trockenätzung von Siliciumnitrid erfolgt.

Beispiel 1

Mit dem Plasma-CVD-Verfahren unter Verwendung eines SiH₄ und NH₃ enthaltenden Gases wurde ein Siliciumnitridfilm mit einer Dicke von 300 nm auf einem Siliciumplättchen mit einem Durch messer von 78 mm hergestellt und dann ein Photoresistfilm mit einem bestimmten Muster auf dem Siliciumnitrid ausgebildet. Als Photoresistmaterial wurde ein unter der Bezeichnung AZ1350J von der Firma Shipley Corp. in USA im Handel erhältliches Material verwendet. Diese Probe wurde in eine Diodenplasmaätzvorrichtung gebracht, in welche C₂F₆-Gas mit einem Durchsatz von 10 cm³/min eingeleitet wurde, bis der Gasdruck in der Ätzkammer einen Wert von 9,3 Pa erreichte. Eine Hochfrequenzversorgung mit einer Frequenz von 13,56 MHz und einer Leistungsdichte von 0,33 W/cm² wurde für eine Dauer von 8 Minuten an die Ätzvorrichtung ange legt. Zur gleichen Zeit wurde die Emissionsspektrum-Intensität bei der Wellenlänge von 387,8 nm mit dem Spektrophotometer ge messen, um die zeitliche Intensitätsänderung zu erhalten. Das Ergebnis ist in Fig. 1 dargestellt. In Fig. 1 zeigt die Kurve 1 die Spektrum-Intensität von SiH bei der Wellenlänge von 387,8 nm; die Kurve 2 zeigt die Spektrum-Intensität von N₂ bei der Wellen länge von 775,3 nm; der Pfeil 3 gibt den Startpunkt der Glimm entladung an; der Pfeil 4 gibt den Startpunkt des Ätzens an; der Pfeil 5 gibt den Augenblick an, wo der Ätzvorgang beendet ist; und der Pfeil 6 gibt den Augenblick an, wo die Glimment ladung beendet ist. Wie in Fig. 1 dargestellt, nimmt die Emissions intensität von SiH bei der Wellenlänge von 387,8 nm rasch zu, sobald die Glimmentladung gestartet ist, bis ein bestimmter hoher Pegel erreicht ist, bei dem sie für eine bestimmte Zeit bleibt. Ungefähr 5,5 Minuten nach dem Beginn der Entladung beginnt die Emissionsintensität abzunehmen. Ungefähr 7 Minuten nach dem Be ginn der Entladung wurde die Emissionsintensität bei einem relativ niedrigen Pegel konstant. Zu diesem Zeitpunkt war das Ätzen des Siliciumnitrids beendet. Ungefähr eine Minute später wurde die Glimmentladung unterbrochen und die Trockenätzprobe aus der Trockenätzvorrichtung herausgenommen.

Die geätzte Probe wurde mit einem optischen Mikroskop untersucht. Es wurde festgestellt, daß der geätzte Teil der Oberfläche der Unterschicht Si freigelegt war. Als nächstes wurde der Photo resistfilm entfernt und die Höhendifferenz zwischen dem mit dem Photoresistfilm versehenen Teil und geätzten Teil gemessen, und zwar mit einem Meßgerät vom Typ Talystep der Firma Taylor Hobson Co., Ltd.. Die Differenz betrug ungefähr 310 nm, was angibt, daß das Ätzen des Siliciumnitrids vollständig war. Zum Vergleich ist das Untersuchungsergebnis der Emissionsspektrum-Intensität von N₂ bei der Wellenlänge 775,3 nm ebenfalls in Fig. 1 darge stellt. Aus der dortigen Kurve 2 läßt sich erkennen, daß der Augenblick der Beendigung des Ätzvorganges nicht bestimmt werden kann, indem man die Intensität des N₂-Emissionsspektrums bei der Wellenlänge von 775,3 nm überwacht.

Außerdem wurde herausgefunden, daß durch Überwachung der Emissions intensität bei der Wellenlänge von 387,8 nm der Augenblick der Beendigung des Vorganges leicht für andere Gase bestimmt werden kann, wie z. B. CF₄, C₃F₈, C₄F₈, CHF₃, der Mischung von CF₄ und O₂ sowie der Mischung von C₂F₆ und C₂H₄.

Bei der Ausführungsform gemäß dem obigen Beispiel wird das Plasma- CVD-Verfahren verwendet, um den Siliciumnitridfilm herzustellen, jedoch kann auch das übliche CVD-Verfahren verwendet werden, wobei sich die gleichen Ergebnisse erzielen lassen. Bei den durchgeführten Untersuchungen wurde festgestellt, daß bei dem mit dem normalen CVD-Verfahren hergestellten Siliciumnitrid die Beendigung des Ätzvorganges auch abgetastet werden konnte, indem man die Inten sitätsänderung des Emissionsspektrums mit der Zeit bei der Wellen länge von 387,8 nm beobachtete. Die Ordinateneinheiten in Fig. 1 und 2 sind willkürlich gewählt.

Beispiel 2

Wie im Falle des ersten Beispiels wurde ein Siliciumnitridfilm einer Trockenätzung unterworfen und das während des Ätzvorganges erzeugte ²⁹SiH* (Massenzahl 29) mit einem Quadropol-Massenspektrum analysator gemessen, um die Massenspektrum-Intensität der Massen zahl 29 zu überwachen und die zeitliche Intensitätsänderung zu überprüfen. Das Ergebnis ist in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 2 bezeichnet der Pfeil 11 den Augenblick, bei dem die Entladung gestartet wurde; der Pfeil 12 gibt den Augenblick an, wo der Ätzvorgang gestartet wurde; der Pfeil 13 gibt den Augenblick an, wo der Ätzvorgang beendet war; und der Pfeil 14 gibt den Augenblick an, wo die Entladungen unterbrochen wurden. Wie in Fig. 2 dargestellt, nimmt die Massenspektrum-Intensität SiH mit der Massen zahl 29 stark zu, wobald die Glimmentladung beginnt, bis sie einen bestimmten hohen Wert erreicht hat, bei dem sie für eine gewisse Zeitspanne bleibt. Danach nimmt die Intensität allmählich ab, bis sie abrupt abfällt. In diesem Augenblick war der Ätzvorgang been det. Eine nähere Untersuchung der geätzten Probe ergab das gleiche Ergebnis wie beim Beispiel 1.

Auf diese Weise kann durch Überprüfung der zeitlichen Intensi tätsänderung des Massenspektrums von SiH der Augenblick der Beendigung des Ätzvorganges leicht abgetastet werden.

Gemäß der Erfindung wird somit ein Verfahren zur Überwachung des Siliciumnitrid-Trockenätzverfahrens angegeben, bei dem die Spektralintensität des vom Siliciumnitrid emittierten SiH über wacht wird.

Claims

1. Verfahren zur Überwachung eines mit einem Gasentladungs plasma ausgeführten Siliziumnitrid-Trockenätzverfahrens, bei dem die Zusammensetzung des Ätzgases überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Feststellen der Beendigung der Ätzung die Spektralintensität des beim Ätzen von Silizium nitrid emittierten SiH überwacht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Überwachung der Spektralintensität von SiH die Intensität der Emission bei der Wellenlänge von 387,8 nm kontrolliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Überwachung der Spektralintensität von SiH die Intensität des Massenspektrums bei einer Massenzahl von 29 und/oder 30 und/oder 31 kontrolliert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das beim Trockenätzen von Siliziumnitrid verwendete Gas Fluor oder Fluorkohlenwasserstoff oder eines bzw. mehrere der Gase CF₄, C₂F₆, C₃F₈, C₄F₈, CCl₂F₂, SF₆ enthält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zu ätzende Siliziumnitrid mittels eines CVD-Verfahrens oder mittels eines Plasma-CVD-Verfahrens aus einem SiH₄ enthaltenden Gas hergestellt worden ist.