DE4132564C2 - Verfahren zum Plasmaätzen mit mikrowellenenergiegespeister Voranregung der Ätzgase bei der Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen und Verwendung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Plasmaätzen mit mikrowellenenergiegespeister Voranregung der Ätzgase bei der Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen und Verwendung des Verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum nicht-magnetfeldunterstützten Plasmaätzen mit mikrowellenenergiegespeister Voranregung der Ätzgase bei der Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen. Die Erfindung betrifft außerdem Verwendungen des Verfahrens.
Zum Stand der Ätztechnik wird auf "Technologie hochintegrierter Schaltungen", D. Widmann, H. Mader, H. Friedrich, Springerver­ lag 1988, insbesondere Kapitel 5, hingewiesen.
Die Ätztechnik ist, neben Lithographie, Abscheide- und Dotier­ technik, einer der grundlegenden Prozesse, die in der Prozeß­ folge zur Herstellung von hochintegrierten Schaltungen aus Si­ liziumsubstraten immer wieder verwendet werden. Neben den naß­ chemischen Ätzverfahren werden in der Mikroelektronik zuneh­ mend - hauptsächlich zur Erzeugung sehr feiner Strukturen - isotrope und anisotrope plasmaunterstützte (Trocken-)Ätzver­ fahren angewendet. Bei einem derartigen Ätzprozeß, der phy­ sikalischer, chemischer oder kombinierter Natur sein kann, er­ folgt der Ätzabtrag durch reaktive Teilchen aus einem Plasma, also einem ionisierten Gas. Ziel der Plasmaätzung kann bei­ spielsweise die Übertragung einer gewünschten Struktur von einer Photolackmaske in eine zu ätzende Schicht, oder die ganz­ flächige Rückätzung einer Schicht, wie sie etwa bei der Kontakt­ lochauffüllung erfolgt, sein. Um nicht auf einen rein isotro­ pen Ätzangriff angewiesen zu sein, werden heute vielfach che­ misch-physikalische Plasmaätzverfahren angewendet, bei denen die Ätzreaktion durch den (gerichteten) Beschuß mit im Plasma erzeugten Teilchen, insbesondere Ionen, ausgelöst wird. Die für die Ätzreaktion notwendigen reaktiven Teilchen kommen entweder aus dem umgebenden Plasma oder direkt aus den ein­ fallenden Ionen.
Fertigungstaugliche Ätzverfahren sind wesentlich durch aus­ reichend hohe Ätzgeschwindigkeit charakterisiert, die sich insbesondere beim häufig verwendeten reaktiven Ionenätzen (RIE) erst bei Arbeitsdrücken von gut 20 bis 30 Pa und mehr, sowie durch die Einkoppelung von mehreren 100 W an Hochfrequenzenergie zur Plasmaerzeugung realisieren lassen. Diese beiden Maßnahmen sind jedoch bekanntlich nicht frei von unerwünschten Folgen.
Der notwendig hohe Arbeitsdruckbereich bringt Schwierigkeiten beispielsweise bezüglich des häufigen Auftretens von Loading- und Mikroloading-Effekten und bezüglich der Dicke einer zur Erzielung guter Anisotropie eingesetzten Seitenwandpassivie­ rung mit sich. Letzteres ist problematisch, da die Maßhaltig­ keit von Sub-Mikronstrukturen mit steigender Dicke der Seiten­ wandpassivierung immer weniger gewährleistet werden kann.
Zur Erreichung niedriger Arbeitsdrücke sind neuerdings ver­ schiedene magnetfeldunterstützte Plasmaätzverfahren bekannt, beispielsweise ECR (Elektron Zyklotron Resonenz)-Verfahren und das Magnetronätzen. In die zur Durchführung dieser Verfahren dienenden Atzreaktoren ist ein Magnet eingebaut, dessen Feld das Plasma über den zu ätzenden Scheiben verdichtet, wodurch der Arbeitsdruck vergleichsweise verringert werden kann. Die typischerweise unterhalb von 100 eV liegende kinetische Ener­ gie der Ionen und die damit verbundene thermische Belastung der zu ätzenden Scheiben ist dabei zwar relativ gering, kann jedoch den steigenden Anforderungen, bei denen Energien von 10 eV und weniger angestrebt werden nicht mehr gerecht werden.
Besonders problematisch bei allen magnetfeldunterstützten Ver­ fahren ist jedoch die mit der Verdichtung des Plasmas einher­ gehende hohe Ionisierung, die - auch bei relativ geringen Ionenenergien - hohe Ionendichten auf den Substratscheiben mit den Nachteilen großer Sputterwirkung und hoher elektrischer Belastung mit sich bringt. Die hohe elektrische Belastung der Substrate, die, bei hoher Hochfrequenzleistung, ebenso beim konventionellen RIE-Ätzen ohne Magnetfeld auftritt, ist bei den empfindlichen hochintegrierten Bausteinen nicht mehr tolerierbar. Zur Vermeidung der auftretenden, ebenfalls zu hohen thermischen Belastungen, die unter anderem eine Zer­ störung des Photolackes bewirken können, ist es darüberhinaus erforderlich, die Ätzanlagen mit einer Waferrückseitenkühlung auszustatten. Die Wärmeableitung erfolgt dabei über ein unter einem Druck von einigen 100 Pa stehendes inertes Gas. Diese Maßnahme erfordert aber andererseits einen aufwendigen Klemm­ mechanismus, der die Substratscheibe gegen diesen Gasdruck festhält.
Der Klemmechanismus ist nicht nur aufwendig, sondern er stellt hinsichtlich der Substratscheibe auch eine Quelle für kontami­ nierende Partikel dar. In Betracht zu ziehen ist in diesem Zu­ sammenhang auch, daß die obenerwähnte Sputterwirkung nicht nur auf den Substratscheiben, sondern auch an den Elektroden und anderen Teilen im Inneren des Ätzreaktors stattfindet. Abge­ sputterte Partikel gelangen somit auf die Substratscheibe; außerdem ist die Standzeit der Anodisierung im Atzreaktor sehr begrenzt. Im übrigen sind alle magnetfeldunterstützen Verfah­ ren insofern unbefriedigend, als sie die eine Prozeßführung bei niedrigen Arbeitsdrücken nur mit Hilfe sehr aufwendiger Ätzanlagen erlauben.
Aus Solid State Technology 4/1987, Seite 147 bis 151 ist bekannt, daß beim Downstream-Plasmaätzen reaktive, neutrale Partikel eingesetzt werden und daß unter vermindertem Druck und bei Hochfrequenzanregung gearbeitet wird. Aus Appl. Phys. Lett., 23. September 1991, Seite 1547 bis 1549, ist außerdem ein Downstream-Ätzverfahren bekannt, das mit einer Hochfrequenzleistung von 100 W unter einem Druck von gut 560 Pa betrieben wird. Ferner ist aus Frey und Kienel: Dünnschichttechnologie (VDI Verlag), Düsseldorf 1987, Seite 158 bis 168, bekannt, daß beim Downstream-Plasmaätzen der Arbeitsdruck zwischen 10 bis 100 Pa einzustellen ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber den genannten Nachteilen verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgesehen, bei dem mittels einer mikrowellenenergiegespeisten Plasmaentladung aus den Ätzgasen angeregte, elektrisch neutrale Gasteilchen erzeugt und in einen von der Voranregung räumlisch getrennten Ätzreaktor eingelassen werden, in dem unter Einkoppelung von Hochfrequenzenergie ein Plasmaätzprozeß durchgeführt wird, wobei die Hochfrequenzleistung auf weniger als 150 W und der Arbeitsdruck beim Ätzprozeß aufweniger als 1,3 Pa eingestellt wird.
Das erfindungsgemäße Plasmaätzverfahren erlaubt den vorteil­ haften Einsatz sehr geringer Hochfrequenzleistungen zur Erzeu­ gung des Ätzplasmas, beispielsweise von etwa 50 W, während bisher, ohne die hocheffektive Voranregung der Ätzgase, bei derartig niedrigen Leistungen überhaupt nicht geätzt werden konnte.
Weiterhin erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die vorteil­ hafte Senkung des Arbeitsdruckbereiches auf Werte von weniger als etwa 13,3 Pa, insbesondere auf weniger als 1,3 Pa. Durch die auf Grund der Voranregung vorhandenen vielen hochangereg­ ten Neutralteilchen können trotz niedrigen Arbeitsdruckes Ätzraten erreicht werden, wie sie sonst bei diesen Arbeits­ drücken nur mit magnetfeldunterstützten Verfahren erzielt wer­ den können. Mit Hilfe eines speziellen Verfahrens zur Generie­ rung angeregter neutraler Teilchen mittels einer mikrowellen­ energiegespeisten Plasmaentladung sind Arbeitsdrücke auch un­ terhalb von 1,3 Pa ohne weiteres zu erreichen.
Bezüglich des erwähnten speziellen Verfahrens verweisen wir auf die am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung einge­ reichte deutsche Patentanmeldung Nr. P 41 32 558.3 mit dem Titel "Verfahren zur Generierung angeregter neutraler Teilchen für Ätz- und Ab­ scheideprozesse in der Halbleitertechnologie mittels einer mikrowellenenergiegespeisten Plasmaentladung", die hiermit in die Offenbarung einbezogen wird.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung wird im folgenden, unter anderem anhand von Ausführungsbeispielen, noch näher erläutert.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden, getrennt vom eigent­ lichen Plasmaätzprozeß und ihm vorgeschaltet, durch eine mi­ krowellenenergiegespeiste Plasmaentladung aus den Ätzgasen angeregte, elektrisch neutrale Gasteilchen erzeugt und - bei­ spielsweise mittels einer Zuleitung - in den Ätzreaktor ein­ gelassen. In den Ätzreaktor wird, wie es zur Erzeugung eines Ätzplasmas üblich ist, mittels Elektroden Hochfrequenzenergie eingekoppelt. Die hochangeregten Neutralteilchen können nun im Ätzreaktor zum einen leichter ionisiert werden und übertragen beim Zusammenstoß mit anderen Teilchen Energie auf diese, was den Ionisierungseffekt ebenfalls erhöht. Zum anderen gelangen sehr viel mehr angeregte Neutralteilchen zur Probe (Substrat­ scheibe), als dies bei einem einfachen Plasma der Fall ist. Beide Effekte bewirken eine starke Zunahme der Ätzgeschwindigkeit, wobei je nach Ätzgas und zu ätzender Schicht diese Zunahme ein Viel­ faches der Summe der Einzelätzraten für reines Mikrowellenät­ zen bzw. reines Hochfrequenzätzen betragen kann. Dies bedeu­ tet, daß bereits bei einem Bruchteil der Hochfrequenzleistung und der damit korrespondierenden elektrischen und thermischen Belastung dieselben Ätzgeschwindigkeiten resultieren, wie bei hoher Lei­ stung. Hierdurch kann einerseits eine Schädigung empfindlicher Teile der Substratscheibe vermieden werden, andererseits wird die einleitend beschriebene fertigungsunfreundliche Klemmvor­ richtung für die Waferrückseitenkühlung überflüssig. Auch die Möglichkeit der Senkung des Arbeitsdruckes kommt dadurch zu­ stande, daß die Ionisierung durch das Vorhandensein angeregter Teilchen erleichtert wird.
Für die Übertragung extrem kleiner Strukturen im Sub-Mikrome­ terbereich muß von einem Ätzprozeß perfekte Anisotropie ver­ langt werden. Nahezu perfekte Anisotropie läßt sich mit einer chemisch unterstützten Ionenätzung, bei der die gerichteten Ionen selbst den Hauptanteil bei der Ätzreaktion übernehmen und wie sie beim Magnetronätzen üblich ist, erreichen. Dies führt allerdings zu den oben beschriebenen nachteiligen Sput­ tereffekten. Andererseits können vertikale Ätzflanken auch mittels einer Passivierungsschicht, die beispielsweise aus Polymerprodukten des Ätzgases selbst bestehen kann, erzeugt werden. Die sich während des zunehmend tiefer gehenden Ätzens an den vertikalen Seitenwänden des Ätzprofiles anlagernden Passivierungsschichten verhindern, daß die Seitenwände im Verlauf des mit einer nicht ganz verschwindenden isotropen Ätzkomponente voranschreitenden Plasmaätzens angegriffen werden. Bei den erfindungsgemäß erreichbaren niedrigen Ar­ beitsdrücken kann die Seitenwandpassivierung dünn, insbeson­ dere dünner als 30 nm gehalten werden. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum anisotropen Ätzen mittels einer vergleichsweise dünnen Seitenwandpassivierung kommt den heutigen hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit sehr entge­ gen.
Ein hoher Grad von Anisotropie kann auch mit dem ionenunter­ stützten chemischen Plasmaätzen erzielt werden. Da hierbei die Ionen nur die Schwellenenergie zur Auslösung der Ätzre­ aktion der Neutralteilchen an der Reaktionsoberfläche (Sub­ stratschicht) liefern, kann die Ionendichte bei diesem Ätz­ verfahren gering sein. Eine weitere Verringerung läßt sich durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum an­ isotropen, ionenunterstützten chemischen Ätzen erreichen, da dabei ein großer Anteil bereits angeregter Teilchen zur Ver­ fügung gestellt wird. Voraussetzung hierfür ist selbstverständ­ lich die Wahl einer Ätzchemie, bei der die bei der Voranregung generierten Teilchen nicht so hoch angeregt sind, daß sie be­ reits an sich mit der Oberfläche der Probe reagieren, da dies zumindest teilweise wieder zu einer isotropen Ätzung führen würde.
Als erstes Ausführungsbeispiel werden nachfolgend einige wich­ tige Verfahrensparameter für eine an sich bereits beispiels­ weise aus der EP-A-03 12 986 bekannte Wolfram-Rückätzung zur Planarisierung von Kontaktlöchern unterschiedlicher Tiefe ge­ nannt. Um die Wolframschicht restefrei zu bekommen, ist es notwendig, den Rückätzprozeß zu überziehen. Als günstig hat sich die Aufteilung in einen isotropen Hauptätzschritt mit einer Ätzgeschwindigkeit von 800 nm/min und eine anschließende anisotrope Überätzphase, die selektiv (<10 : 1) zur TiN-Schicht durchgeführt wird, herausgestellt. Während die bekannte Wol­ fram-Rückätzung auf einer Magnetronätzanlage mit einer Lei­ stung von 400 W bei einem Arbeitsdruck von 0,5 bis 1,0 Pa durchgeführt wurde, kann erfindungsgemäß mit einer konven­ tionellen RIE-Ätzanlage - auch im Hauptätzschritt und mit hoher Ätzrate - bei nur ca. 50 W geätzt werden. In der Über­ ätzphase kann dagegen auch ohne Voranregung geätzt werden, da nur eine sehr geringe Ätzleistung erforderlich ist.
Wolfram-Rückätzung (1 µm W/120 nm TiN)
Als weiteres Ausführungsbeispiel werden nachfolgend einige wichtige Verfahrensparameter für eine anisotrope Ätzung von Polysilizium angegeben. Dabei muß in einem ersten Ätzschritt zunächst die natürliche Oxidschicht auf dem Silizium durch­ stoßen werden. Der Hauptätzschritt erfolgt mit einer Ätzgegeschwindigkeit von 300 nm/min und hoher Selektivität (<20 : 1) zum Silizium­ oxid. Die Überätzphase kann mit einer Ätzgeschwindigkeit von 200 nm/min und noch höherer Selektivität (<50 : 1) zur Oxidschicht erfol­ gen. Auf Grund der geringen, bei den Ätzschritten eingesetzten Hochfrequenzenergie gelingt es, Beschädigungen der Substrat­ schichten zu vermeiden.
PolySi-Ätzen anisotrop (250 nm P-dotiert)
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Plasmaätzen läßt sich mit allen üblichen Ätzgasen durchführen, und es sind vielfache Kombinationen der Mikrowellenenergie und der Frequenz der ein­ gekoppelten Hochfrequenzenergie möglich. Es können beispiels­ weise Reaktoren mit einer Arbeitsfrequenz der RF-Energie von 13,5 MHz, oder von 100 bzw. 400 kHz, oder auch Triodenreakto­ ren mit zwei Arbeitsfrequenzen eingesetzt werden. Die Erfin­ dung erlaubt vorteilhafterweise die fallweise Abschaltung - ohne aufwendige Umbauten der Ätzanlage - der RF-Energie oder der Voranregung bzw. die Kombination mit anderen gängigen Ver­ fahren.

Claims (3)

1. Verfahren zum nicht-magnetfeldunterstützten Plasmaätzen mit mikrowellenenergiegespeister Voranregung der Ätzgase bei der Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen, bei dem mittels einer mikrowellenenergiegespeisten Plasmaentladung aus den Ätzgasen angeregte, elektrisch neutrale Gasteilchen erzeugt und in einen von der Voranregung räumlich getrennten Ätzreaktor eingelassen werden, in dem unter Einkoppelung von Hochfrequenzenergie ein Plasmaätzprozeß durchgeführt wird, wobei die Hochfrequenzleistung auf weniger als 150 W und der Arbeitsdruck beim Ätzprozeß auf weniger als 1,3 Pa eingestellt wird.
2. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum anisotropen Ätzen mittels einer dünnen, insbesondere weniger als 30 nm dicken Seitenwandpassivierung.
3. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum anisotropen, ionenunterstützten chemischen Ätzen.
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