DE69011529T2 - Verfahren zum ätzen von halbleiterscheiben mit halogenid in gegenwart von wasser. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem gattungsgemäßen Oberbegriff von Anspruch 1.
• Insbesondere betrifft sie die Entfernung und Verdampfung von nativen Oxiden in Kontakilöchern usw., um eine Halbleiterscheibe für einen nachfolgenden Produktionsschritt vorzubereiten, insbesondere um die Grenzfläche wieder in einen jungfräulichen Zustand zu versetzen, damit dann z.B. epitaxiale Siliziumkristalle, selektives W oder selektive Metallsilizide etc. gezogen oder sehr dünne, gleichmäßige und sehr verläßliche Oxidschichten zur Verwendung als Gateelektroden oder Dielektrika realisiert werden können. Für alle diese Verwendungen muß die Grenzfläche in jedem Fall frei von organischen oder metallischen Bruchstücken sein. Technisch wird dies nach dem Stand der Technik durch Naßätzen ausgeführt. Das Naßätzen ist jedoch nur begrenzt wirksam, wenn die Strukturgröße so gering ist, daß die Oberflächenspannung der Flüssigkeit den Reaktanten daran hindert, den letzten Winkel, beispielsweise den Boden des Kontaktloches, zu erreiclien. Deshalb ist das Naßätzen nicht geeignet, den Oxidaufbau (üblicherweise 10 bis 20 Å dick) in tiefen Kontaktlöcher Vollständig zu entfernen.
• Daher wird im Stand der Technik, z.B. in US-A-4 749 440, vorgeschlagen, in der Gasphase zu ätzen, um diese sogenannten nativen Oxide zur Reinigung der Grenzfläche zu entfernen. Bei diesem Gasätzen tritt keine Oberflächenspannung auf. Nach dem Verfahren gemäß der obigen US-Schrift tritt Halogengas unter nahezu atmosphärischem Druck in Anwesenheit von Wasser in die Reaktionskammer ein. Der Einstrom des Halogengases wird mittels eines Durchflußsteuergerätes und eines Kanals zur Druckkontrolle gesteuert, der ständig gegenüber Atmosphärendruck offen oder zur Druckerhöhung gedrosselt ist. Die Ätzzeit beträgt typischerweise zwischen 5 und 30 Sekunden.
• Aufgrund der Verwendung eines Durchflußsteuergerätes in einem dynamischen Prozeß entstehen verschiedene Probleme. Erstens muß das Durchflußsteuergerät aus einem gegenüber dem verwendeten reaktiven Gas widerstandstähigen Material hergestellt sein.
• Darüber hinaus wurde herausgefunden, daß es äußerst schwierig ist, die Geschwindigkeit des Ätzens bei schwankendem Durchfluß des Ätzgases und damit bei schwankenden Partialdrücken exakt zu steuern.
• Aus der WO-A-87/0 1508 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Siliziumwafer geätzt wird. Zunächst wird der Siliziumwafer einer Vorbehandlung mit Wasserdampf unterworfen, bevor dann wasserfreier Fluorwasserstoff in die Reaktionskammer eingeführt wird. Nach der Vorbehandlung wird die Einleitung von Wasserdampf während der Einleitung des wasserfreien Fluorwasserstoffs fortgesetzt Während des Ätzvorgangs wird die Einleitung von Halogenid und Wasserdampf weiterhin beibehalten. Nach Ablauf der geeigneten Ätzzeit, werden beide Ströme gleichzeitig gestoppt. Ein Strom aus trockenem Stickstoff schließt sich zur Beendigung des Ätzens und zur Reinigung der Reaktorkammer an.
• Die Art der Anwendung gemäß dem Stand der Technik setzt voraus, daß das Verfahren für einen einzelnen Wafer innerhalb von 5 - 30 s beendet ist, d.h das Ätzen von Hunderten bis Tausenden von Å bei relativ hohen Ätzgeschwindigkeiten. Es ist bekannt, daß jeder tatsächliche Ätzvorgang von einer Verzögerung in einem Zeitbereich von 1 Sekunde bis zu 5 Minuten betroffen sein kann. Die Ursachen dieses Phänomens sind nicht bekannt. Deswegen kann man innerhalb 5 - 30 s entweder gar keine Ätzung erhalten oder es können viele Hundert nm (Tausend Å) sowohl lokal als auch über den gesamten Water hinweg entfernt werden. Selbstverständlich ist dieser Zustand nicht akzeptabel. Dies trifft insbesondere für die Bearbeitung von strukturierten Wafern zu. Es sollte nicht so sein daß bei benötigter Entfernung von 3 nm (30 Å) eines nativen Oxides absichtlich aufgebrachte Oxidschichten gleichfalls aufgrund eines merklichen Überätzens zu einem beträchtlichen Teil entfernt werden.
• In der US-A-4 229 247 ist das Atzen verschiedener Metalle aus Al/Cu-Legieiungen oder Chrom beschrieben.
• Für jedes dieser Metalle ist eine Gasmischung notwendig: CCl&sub4; und Ar für Al/Cu und CCl&sub4;/Al/H&sub2;O für Chrom. Da nach dieser US-Patentschrift beide Metalle in Schichten übereinander liegen, müssen diese Schichten nacheinander geätzt werden: zunächst muß Al/Cu und anschließend das Chrom geätzt werden. Weil sich die zum Ätzen notwendigen Gasgemische nur dahingehend unterscheiden, daß zum Ätzen von Chrom Wasser als weiterer Mischungsbestandteil notwendig ist, kann das Umschalten vom Ätzen von Al/Cu (mit CCl&sub4;/Ar) auf Chom einfach durch Zuführung von Wasser zu dem vorliegenden CCl&sub4;/Ar-Gasgemisch bewirkt werden. Mit diesem Verfahren ist es jedoch nicht möglich, den oben beschriebenen Ätzvorgang genau zu überwachen.
• Die Erfindung beabsichtigt diese Nachteile zu überwinden.
• Erfindungsgemäß wird dieses über ein wie oben beschriebenes Verfahren erreicht, welches die kennzeichnenden Merkmale gemäß Anspruch 1 aufweist.
• Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die Menge an reaktivem Gas und das Mischungsverhältnis mit den anderen in der Reaktionskammer vorhandenen Komponenten nicht mehr mit einem Durchflußmeßgerät gemessen, sondern auf den Druck bezogen. Das bedeutet aber, daß ein relativ simples Bauteil zur Druckmessung eingesetzt werden kann, welches eine gegenüber dem Verfahren nach dem Stand der Technik deutlich erhöhte Genauigkeit ergibt. Nach der Einführung der Gase in die Reaktionskammer wird das Substrat sich selbst überlassen, damit die Reaktion ablaufen kann. Im Verlaufe der Reaktion wird die Konzentration des reaktiven Gases abnehmen, so daß Anfang und Ende der Reaktion exakt bestimmt werden können.
• Im Gegensatz zu den in bezug auf Halide, wie HF, nicht sehr verläßlichen Durchflußsteuergeräten, bei denen die Leistung zwischen 20 bis 50 % über z.B. 100 Durchsätze variieren kann, ist die Druckmessung jederzeit genau durchgeführbar. Es ist anzumerken, daß die Ätzgeschwindigkeit von der HF-Konzentration in vierter Potenz abhängt.
• Um die Reaktionsgeschwindigkeit darüber hinausgehend erfindungsgemäß zu steuern, wird diese Geschwindigkeit deutlich gesenkt. Die Erfindung strebt die Verwirklichung von Ätzzeiten in der Größenordnung von Minuten anstatt von Sekunden, entsprechend dem Stand der Technik, an. Dieses wird dadurch erreicht, daß der Druck in der Reaktionskammer unter Atmosphärendruck liegt oder vorzugsweise unter 6666,7 Pa (50 Torr) beträgt. Unter diesen Bedingungen wird ein Ätzen innerhalb von 1 bis 10 Minuten möglich. Ein chargenweises Arbeiten ist unter diesen Bedingungen natürlich vorzuziehen.
• Im Gegensatz zum Stand der Technik kann das erfindungsgemäße Verfahren bei chargenweiser Anordnung der Substrate angewendet werden. Bei hohem Druck und kurzen Reaktionszeiten ist es kaum möglich, ein gleichmäßiges Ätzen verschiedener Substrate in einem Reaktionsbehälter zu erzielen Nahezu mit Sicherheit werden hier Probleme in bezug auf die Diffusion des Reaktionsgases, die an allen Punkten der Substrate gleich sein muß, auftreten.
• Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet zum erstenmal die gleichmäßiger Vermischung der reaktiven Gase. Außerdem steigen die Diffusionskonstanten mit niedrigerem Druck an, da sie dem Druck umgekehrt proportional sind. Demzufolge ist es erst jetzt möglich geworden chargenweise zu ätzen.
• Vorzugsweise wird das Ätzen bei Raumtemperatur durchgeführt; wenn die Temperatur des Wafers ansteigt, fällt die Ätzgeschwindigkeit ab. Die Geschwindigkeit der Änderung ist bei Raumtemperatur beachtlich. Das bedeutet, daß ein Ansteigen oder Abfallen um 5 ºC beträchtliche Auswirkungen auf die Ätzgeschwindigkeit hat. Hilfsmittel zur exakten Steuerung der Wafertemperatur sind jedoch kompliziert.
• Gemäß der Erfindung, bei der die Ätzzeit relativ zum Stand der Technik verlängert ist, wird das Verfahren dadurch gesteuert, daß die Temperatur gemessen und in bezug auf diese Daten die Ätzzeit oder das Verhältnis von HF/H&sub2;O bestimmt wird. Beispieisweise kann dies mit einem Prozessor ausgefuhrt werden, in dem die bekannten von der exakten Temperatur und den HF/H&sub2;O-Verhältnissen abhängenden Ätzgeschwindigkeiten gespeichert sind. Auf diese Weise kann die Wirkung der geänderten Umgebungstemperatur bei der Änderung der Ätzzeit oder des Partialdruckes von Wasser oder Halogenid berücksichtigt werden, anstatt zu versuchen dem Substrat eine bestimmte, feste Temperatur aufzuzwingen. Die meisten der vorgeschlagenen Reaktionen in der Reaktionskammer ergeben eine Druckänderung. Wird diese Druckänderung mit angebrachten Druckfühlern gemessen, können die oben beschriebenen Probleme im Hinblick auf die Verzögerungszeit überwunden werden, da nunmehr ein deutlicher Parameter für Beginn, Verlauf und Ende der Reaktion gefunden wurde.
• Die Erfindung soll unter Bezugnahme auf das folgende Beispiel weiter erläutert werden.
Beispiel:
• Das erfindungsgemäße Verfahren wurde in einer mit drei Einlässen ausgestatteten Reaktionskammer ausgeführt: einem für wasserfreies HF, einem für Wasserdampf und einem für einen Reinigungsstrom aus trockenen Stickstoff. Die Einlaßleitungen wurden in einem Abstand von 50 cm über dem Reaktor vereinigt. Anschließend wurde der Reaktor mit einer Charge, die 1-100 Siliziumhalbleiterwafer umfaßte und auf Umgebungstemperatur gehalten wurde, beschickt. Danach wurde die mit den Wafern beschickte Reaktionskammer evakuiert und mit den reagierenden Gasen gefüllt.
• Die Überwachung der Druckes während eines Ätzprozesses mit einer Rate von 2 - 5 nm/min (20 - 50 Å/min) macht es potentiell möglich, beispielsweise nicht mehr als 3 nm (30 Å) exakt wegzuätzen, indem die reagierenden Gase nach einer bestimmten Druckänderung abgezogen werden. Der Reaktor und die damit gemäß der Erfindung verknüpfte Ausrüstung bestand aus gegen das reaktive Gemisch aus HF/H&sub2;O chemisch resistentem Material. Eine geeignete Auswahl ist sehr wichtig, da der gesamte Effekt des Ätzens vereitelt wird, wenn die Entfernung des ursprünglich vorhandenen Oxids zu einer übermäßigen Erzeugung von aus den Reaktorwänden, der Waferhalterung, den Gasleitungen etc. stammenden Teilchen führen würde.
• Ndch der Evakuierung der Reaktorkammer wird das zur Pumpe führende Ventil geschlossen. Danach wird als erstes der Einlaß für Wasserdampf geöffnet und bis zu einem bestimmten Druck Wasserdampf in den Reaktor eingeleitet. Der Einlaß für Wasserdampf wird geschlossen und die Wafer werden bis zum nächsten Schritt in der Wasserdampfumgebung befassen Danach wird die Leitung für wasserfreies HF-Gas geöffnet und wasserfreies HF dem Reaktor zugeführt. Die dem Reaktor zugeführte Menge HF ist so bemessen, daß sie zu dem benötigten Verhältnis von HF/H&sub2;O führt.
• Über die Messung des Partialdruckes kann die eingeführte Menge an HF exakt bestimmt werden. Im Anschluß daran werden die Wafer für eine Zeit, die der Summe der Verzögerungszeit und der jeweiligen Dauer der Ätzstufe entspricht, isoliert gehalten, wobei letztere Zeit üblicherweise zwischen 2 und 5 Minuten beträgt. Die Temperatur der Wafer wird in einen Mikroprozessor eingegeben, in dem ein Diagramm gespeichert ist, welches die Abhängigkeit des Ätzprozesses von der Temperatur dem Druck dem HF/H&sub2;O-Verhältnis usw. angibt. Mit diesem Mikroprozessor wird die zum Erhalt des gewünschten Ätzerfolges benötigte, jeweilige Ätzzeit oder das HF/H&sub2;O-Verhältnis bestimmt. Nach Ablauf dieses Zeitintervalls wird das Pumpenventil geöffnet und die Gase des Verfahrens abgezogen. Mit der Überwachung des Druckabfalls kann der Beginn der Reaktion bestimmt und deren Verlauf verfolgt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zum Ätzen eines Siliziumsubstrats mit einer darauf befindlichen Siliziumoxidschicht mittels eines HF-Gases in Anwesenheit von Wasserdampf in einer Reaktionskammer bei einem Druck unterhalb des Atmosphärischendruckes, welches

- die Einführung des Substrats in die Ätzkammer,

- die Einführung des Wasserdampfes in die Ätzkammer und

- die Einführung des HF-Gases in die Ätzkammer

umfaßt und dadurch gekennzeichnet ist, daß man als erstes bis zum Erreichen eines ersten Druckes Wasserdampf einführt, wonach die Einführung von Wasserdampf gestoppt wird, gefolgt von der Einleitung von HF-Gas bis zu einem weiten Druck, der höher als der erste Druck ist, wonach die Einleitung von HF-Gas gestoppt wird, wobei man das Subtrat aus Siliziumoxid in der Ätzkammer dem Wasserdampf und dem HF-Gas solange aussetzt bis ein vorherbestimmtes Ausmaß des Ätzens bewirkt ist, was durch Messen des Druckes und/oder der Temperatur während des Ätzens ermittelt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Verfahren bei einem Druck unterhalb von 6667 Pa (50 Torr) ausgeführt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Verfahren ungefähr bei Raumtemperatur ausgeführt wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1 bei dem das Substrat für einen Zeitraum von 1 bis 10 Minuten beiden Gasen ausgesetzt wird.