DE68901789T2

DE68901789T2 - Selectives anisotropisches aetzen von nitriden.

Info

Publication number: DE68901789T2
Application number: DE8989480009T
Authority: DE
Inventors: James Allan Bondur; Francois Dominique Martinet
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1988-02-19
Filing date: 1989-01-17
Publication date: 1993-01-28
Anticipated expiration: 2009-01-18
Also published as: JPH0648680B2; DE68901789D1; EP0329586B1; JPH01220448A; US4832787A; EP0329586A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Trockenätz- Gasmischungen und -Plasmen und insbesondere auf eine Trockenätz- Gasmischung und ein Trockenätz-Plasma für das selektive Ätzen einer Nitridisolatorschicht bezüglich einer Oxidisolatorschicht.
In der Halbleiterfertigung umfaßt eine übliche Isolationsstruktur eine Schicht aus einem Nitrid, das angrenzend an eine Oxidschicht angeordnet ist. Es gibt viele Verfahrensabläufe, die das Herausätzen von Nitrid an einer bestimmten Stelle erfordern, wobei die Ätzung darunter eine ebene und im wesentlichen vollständige Schicht aus Oxid zurückläßt. Diese Anforderung einer Nitridselektivität gegenüber Oxid ist insbesondere bei der Fertigung von Kontaktöffnungen während der Herstellung des Transistors kritisch.
Als Beispiel illustriert die Figur eine Struktur, die bei der Herstellung eines Transistors benutzt werden kann. Die Struktur besteht aus einer Silikonvolumenfläche 10, einer ersten Schicht 12 aus SiO&sub2;, angeordnet über der Silikonvolumenfläche 10, und einschließlich einer Fläche reduzierter Dicke oder Stufe 14.
Die Struktur besteht weiter aus einer konformen zweiten Schicht 16 aus Si&sub3;N&sub4;, angeordnet über der SiO&sub2;-Schicht 12, und einer Schicht 18 konformer Dicke aus irgendeiner Isolatorform, zum Beispiel Glas, angeordnet über der Schicht 16. An dem Punkt des Verfahrens, der in der Figur dargestellt ist, ist eine nichtdiffundierte Dotiersubstanz 20 auf einer ausgewählten Fläche des Silikonvolumens unter der Stufenfläche 14 der SiO&sub2;-Schicht 12 vorhanden. Es ist wesentlich, daß die Dotiersubstanzschicht 20 an diesem Punkt des Verfahrens nicht durchdrungen wird. Der Glasisolator 18 und das Si&sub3;N&sub4; in der Stufenfläche 14 müssen jedoch bis hinunter zur SiO&sub2;-Schicht 12 entfernt sein, um die weiteren Verfahrensschritte zu erleichtern. Der erste Schritt in diesem Entfernungsverfahren durch Ätzen ist die Entfernung der konformen Glasisolationsschicht 18 im Gebiet oberhalb der Stufe 14. Aufgrund der unebenen Topographie der Glasisolation 18 oberhalb der Stufenfläche 14 ist jedoch eine vorherbestimmte Überätzung des Glases 18 in die Si&sub3;N&sub4;-Schicht 16 erforderlich, um das gesamte Glas 18 oberhalb der Stufenfläche 14 zu entfernen. Diese Überätzung ergibt eine unebene Si&sub3;N&sub4;-Topographie. Eine derartige Topographie erfordert eine hochselektive Ätzmischung, die durch das Si&sub3;N&sub4; ätzt, jedoch an der SiO&sub2;-Schicht 12 stoppt. Eine solche Ätzgasmischung muß außerdem über eine Ätzhomogenität und eine gute Endpunktsteuerung verfügen.
Die meisten gegenwärtigen Rezepturen für das selektive Ätzen einer Nitridschicht, gegenüber einer Oxidschicht, wenden ein Fluorkohlenstoffgas an, und zwar entweder im Plasmazustand (Hochdruck-Parallelplatten oder Zylinderätzer) oder in einem Nachglüh-Entladezustand durch Mikrowellenanregung. Eine typische Mischung kann aus CF&sub4; in 50 bis 95% Sauerstoff bestehen. Das Problem dieser Ätzverfahren ist, (1) daß die Atzungen isotropisch sind; (2) daß die Polymerbildung auf den Si&sub3;N&sub4;-Oberflächen vom vorangehenden Oxidätzschritt die Uniformität der Ätzung beeinträchtigt; und (3) daß die Si&sub3;N&sub4;-Überätzung wegen der niedrigen Si&sub3;N&sub4; -SiO&sub2; ERR begrenzt ist (gewöhnlich auf weniger als 2:1).
Die Erfindung gemäß dem Anspruch beruht auf einer Gasmischung und einem Plasma, das bei der anisotropischen Ätzung eine Selektivität der Ordnung 5 zu 1 oder besser erzielt. Außerdem wird eine Ätzuniformität für die Nitridschicht von besser als 3% erzielt. Das Verfahren besitzt eine hervorragende Wiederholgenauigkeit.

Zusammenfassung

Zusammengefaßt umfaßt die Erfindung eine Gasmischung, die bei der selektiven Trockenätzung einer Nitridisolatorschicht bezüglich einer Oxidisolatorschicht benutzt wird, umfassend:
ein Chlor enthaltendes Trägergas; und Sauerstoff;
wobei der Sauerstoff nicht mehr als 1 bis 15 Volumenprozent der Gasmischung umfaßt.
In einer bevorzugten Anwendungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Sauerstoff weniger als 12% der Gasmischung, wobei das Trägergas, das das Chlor enthält, Cl&sub2; umfaßt. Die Gasmischung kann außerdem ein nichtreaktives Gas enthalten. Ein typisches nichtreaktives Gas, das verwendet werden kann, ist Argon.
Die Erfindung umfaßt ferner ein gasförmiges HF-Plasma, das in der selektiven Trockenätzung einer Nitridisolatorschicht bezüglich einer Oxidisolatorschicht benutzt wird, umfassend:
Chlorarten; und Sauerstoff;
wobei der Sauerstoff nicht mehr als 15 Volumenprozent des Plasmas umfaßt.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur selektiven Ätzung eines Nitridisolators bezüglich einer Oxidisolatorschicht, die folgenden Schritte
umfaßt:
Die Nitridschicht wird einem gasförmigen HF-Plasma mit einer niedrigen Frequenz (weniger als 1 MHz) ausgesetzt, das Chlorarten beinhaltet, wobei das Plasma aus einer Mischung aus einem Gas, das Sauerstoff im Bereich von 1 bis 15 Volumenprozent enthält, gebildet wird. Der Ätzkammerdruck muß größer als 53,3 Pa (0,4 Torr) sein.
In einer bevorzugten Anwendungsform beinhaltet dieses Verfahren außerdem den Schritt der Erzeugung des gasförmigen HF-Plasmas unter Benutzung einer doppelten HF-Leistungsquelle, die ein Niederfrequenz-Signal im Bereich von 300 bis 900 kHz mit einer hohen Leistung (120 W bis 1.000 W) erzeugt, sowie ein hiermit überlagertes Hochfrequenzsignal (13,56 MHz oder größer) niedriger Leistung (weniger als 70 W).

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Figur stellt einen Querschnitt einer Kontaktöffnungsfläche in einem Halbleiterbauelement dar.

Detaillierte Beschreibung einer vorgeschlagenen Anwemdungsform

Es wurde festgestellt, daß eine ungewöhnlich hohe Selektivität bei der Trockenätzung einer Nitridisolatorschicht gegenüber einer Oxidisolatorschicht in einer Trockenätzkammer unter Benutzung einer Gasmischung, die ein Trägergas enthält, das Chlor und Sauerstoff beinhaltet, erzielt wird. In dieser Mischung umfaßt der Sauerstoff nicht mehr als 1 bis 15 Volumenprozent. Die Präzise Menge Sauerstoff, die in diesem zwischen 1 und 15% liegenden Bereich hinzugefügt wird, hängt von der Maskenzusammensetzung und dem Maskenstrukturfaktor, das heißt der Belastung, ab. Das gasförmige HF-Plasma, das sich aufgrund der Benutzung dieser Gasmischung ergibt, umfaßt eine Chlorart und Sauerstoff, wobei der Sauerstoff nicht mehr als 15 Volumenprozent des Plasmas umfaßt. In diesem Plasma sind Cl&sub2;&spplus;&spplus; und Cl&spplus; typische Chlorarten.
Es wird die Theorie aufgestellt, daß die ungewöhnliche Selektivität erzielt wird, weil das Hinzufügen von Sauerstoff das Gleichgewicht zwischen den Halogenatomen und den ungesättigten Verbindungen ändert, und der Sauerstoff bevorzugt mit einem Verbrauch der CClx Arten reagiert. Diese CCLx Arten sind für die Sauerstoffätzung im Plasma verantwortlich. Es wurde festgestellt, daß durch Hinzufügen von Sauerstoffmengen im Bereich von 1 bis 15 Volumenprozent die Ätzgeschwindigkeit für die Nitride und die Oxide abfällt, wobei die Ätzgeschwindigkeit für die Oxide viel schneller als erwartet abfällt, was zu einer hohen Selektivität führt. Diese ungewöhnliche Selektivität wurde für die Glühentladungs-Chlorätzung bei einer niedrigen Frequenz von weniger als 1 MHz erzielt, und zwar bevorzugt im Bereich von 300 bis 900 kHz und mit einer HF-Leistung von mindestens 120 W, sowie bevorzugt im Bereich von 120 W bis 1.000 W, an einer Schicht aus Si&sub3;N&sub4;, die über einer dünnen Schicht SiO&sub2; angeordnet ist. Diese Ätzselektivität betrug mindestens 5:1. Der Ätzdruck in der Reaktionskammer war bei diesen Experimenten größer als 53,3 Pa (0,4 Torr). Es wurde festgestellt, daß die Wiederholgenauigkeit dieser Ätzselektivität hervorragend war, und daß das Ätzverfahren entweder durch die Zeit oder durch eine optische Endpunktfeststellung bei 386 mm (die Wellenlängenlinie für Cl&sub2;&spplus;) gesteuert werden konnte.
Außerdem wurde festgestellt, daß, falls ein HF-Signal einer niedrigen Leistung von weniger als 70 W (vorzugsweise weniger als 50 W) bei einer Hochfrequenz, die mindestens zehnmal größer als die oben angegebene Niederfrequenzkomponente ist, und vorzugsweise größer als 10 MHz (mit einem bevorzugten Bereich von 13 bis 27 MHz), dem HF-Signal niedriger Frequenz überlagert ist, eine Abweichung in der Uniformität der Ätzgeschwindigkeit festgestellt wurde, die auf einem 125-mm-Wafer weniger als 3% (3/x) beträgt.
Es wurde ferner festgestellt, daß durch Erhöhen des Sauerstoffvolumens in der Gasmischung über 15% die Nitridselektivität gegenüber dem Oxid bedeutend abnahm.
Im Einzelnen begann eine Oxidabscheidung bei mehr als 15% Sauerstoff. Außerdem wurde festgestellt, daß die Nitridselektivität ohne die niedrige HF-Anregung des Plasmas abnahm.
Es kann wünschenswert sein, ein nichtreaktives Gas hinzuzufügen, wie zum Beispiel Argon, um die Mischung zum Steuern der Reaktionsgeschwindigkeit des Cl&sub2; im Plasma zu verdünnen, und außerdem die Uniformität der Wärmeübertragung des Plasmas zu verbessern. Das Hinzufügen von Argon verbessert die Uniformität der Ätzreaktion auf großen und kleinen Wafern.
Dieses Verfahren kann zum selektiven Ätzen eines Nitrids bezüglich eines Oxids in einer unbegrenzten Anzahl von Verfahrensanwendungen benutzt werden. Es wurde festgestellt, daß keine meßbare Abscheidung während dieses Verfahrens vorkommt, so lange der Sauerstoffgehalt der Gasmischung unter 15% gehalten wird.
Zusätzlich zum Chlorgas kann eine Anzahl Chlorgasträger genutzt werden, um die Gasmischung zu bilden, einschließlich Freon 11, CCl&sub4; und Freon 12.
Die beschriebene Gasmischung, das Plasma und das Verfahren stellen eine unerwartet hohe Selektivität der Nitridätzung über Oxid im Vergleich zu den bestehenden Verfahren bereit, sowie eine Waferätzung hervorragender Uniformität und eine hervorragende Wiederholgenauigkeit von Durchlauf zu Durchlauf. Im Einzelnen erzielen die vorliegende Gasmischung und das Verfahren eine Selektivität beim anisotropischen Ätzen von größer als 5:1 im Gegensatz zu 2:1 bei isotropischen CF&sub4;/O&sub2;-Verfahren mit Hochfrequenz (zum Beispiel 13,56 MHz). Die Ätzuniformität, die auf einer Nitridschicht erzielt wurde, ist bei Benutzung einer Hochfrequenzanregung mit zwei Frequenzen besser als 3%, verglichen mit besser als 9% bei CF&sub4;-Verfahren. Außerdem kann bei diesem Verfahren eine standardmäßige Endpunkterkennung durch optische Emissionsspektroskopie genutzt werden.
Folglich ist die vorliegende Gasmischung und das vorliegende Verfahren für Kontaktöffnungsverfahren ideal, bei denen es erforderlich ist, den Ätzvorgang auf einer dünnen Oxidschicht zu stoppen.

Claims

1. Verfahren zum selektiven Ätzen einer Nitridisolatorschicht bezüglich einer Oxidisolatorschicht, welches die folgenden Schritte aufweist:

eine gemeinsame Isolatorstruktur, die geätzt werden soll, mit einer Oberschicht (16) aus einem Nitrid, die an eine Unterschicht (12) aus Oxid angrenzt, wird in einer Ätzkammer angeordnet;

die Struktur wird einem Chlorspecies enthaltenden gasförmigen HF-Plasma ausgesetzt, wobei das Plasma aus einer Gasmischung gebildet ist, die Sauerstoff in einem Umfang von 1 bis 15 Vol. % enthält, und ein HF-Anregungssignal verwendet wird, bei welchem der Großteil der Signalleistung bei einer ersten Frequenz von weniger als 1 MHz liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Kammerdruck größer als 53,3 Pa (0,4 Torr) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der Schritt der Plasmabehandlung den Schritt aufweist, daß das Plasma mit einer Hochfrequenzanregung gebildet wird, welche das Signal mit der ersten Frquenz von weniger als 1 MHz mit einer ersten Leistung sowie ein Signal mit einer zweiten Frequenz aufweist, dessen Frequenz zumindest das 10-fache beträgt, als jene des Signals mit der ersten Frequenz, und das eine zweite Leistung besitzt, die geringer als die Hälfte der ersten Leistung ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem das Signal mit der ersten Frequenz eine erste Leistung im Bereich von zumindest 200 W besitzt und bei welchem das Signal mit der zweiten Frequenz höher als 10 MHz liegt, bei einer zweiten Leistung von weniger als 50 W.

5. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Mischung bei dem Behandlungsschritt nicht mehr als 12 Vol. % Sauerstoff enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem in der Mischung bei dem Behandlungsschritt ein nichtreaktives Gas enthalten ist.

7. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das nichtreaktive Gas Argon ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Chlor enthaltende Gas in der Mischung bei dem Behandlungsschritt Cl&sub2;-Gas ist.

9. Verfahren nach Anspruch 3, welches den Schritt enthält, daß das gasförmige HF-Plasma mit dem Signal der ersten Frequenz im Bereich von 300-900 kHz und mit dem Signal der zweiten Frequenz im Bereich von 13 bis 27 MHz erzeugt wird.