DE69508273T2

DE69508273T2 - Verfahren zum ätzen von siliziumnitrid mit verstärkung der kritischen abmessung

Info

Publication number: DE69508273T2
Application number: DE69508273T
Authority: DE
Inventors: Maria Chen
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: Spansion LLC
Priority date: 1994-11-18
Filing date: 1995-11-08
Publication date: 1999-11-04
Anticipated expiration: 2015-11-09
Also published as: EP0792516A1; DE69508273D1; EP0792516B1; WO1996016437A1; US6593245B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen ein Verfahren zum Ätzen von Siliziumnitrid auf einem Halbleiter-Wafer und insbesondere ein Verfahren zum Ätzen zu Siliziumnitrid, das erheblichen Dimensionsgewinn durch präferentielles Plasmaätzen von Siliziumnitrid über Siliziumdioxid und Photoresist mit einer Mischung von CHF&sub3; und O&sub2;.

Kurzbeschreibung des Standes der Technik

Die Halbleiterbearbeitung beinhaltet oft das Strukturieren einer relativ dicken Schicht von Siliziumnitrid, die eine relativ dünne Schicht von Siliziumdioxid bedeckt, welche auf einem Silizium-Wafer-Substrat aufgebracht ist. Die Nitridschicht ist mit einem Photoresistmaterial bedeckt und diese Maskierungsschicht ist mit Öffnungen gemäß der gewünschten Siliziumnitridstruktur strukturiert. Ein Verfahren ist im US-Patent 4 484 979 (Stocker) beschrieben, welches ein zweischrittiges Verfahren zum Strukturieren von Siliziumnitrid in einer Mehrfacetten-Ätzkammer ohne Durchdringen der darunterliegenden Siliziumdioxidschicht offenbart. Im ersten Schritt wird relativ schnelles Ätzen durch reaktives Ionenätzen (RIE) unter Verwendung von Trifluormethan (CHF&sub3;) und Sauerstoff (O&sub2;) in einem Verhältnis zwischen 1 : 1 bis 5,7 : 1 erreicht. In einem zweiten Ätzschritt wird Siliziumnitrid selektiver in bezug auf das Siliziumdioxid und das Photoresist geätzt, wobei eine Mischung von Sauerstoff mit CHF&sub3; von wenigstens 9 : 1 verwendet wird. Stocker erreicht eine hohe Selektivität des Nitrid-Sauerstoff- Ätzens in diesem zweiten Ätzschritt und minimiert dadurch die Erweiterung von Öffnungen in der Nitridschicht (d. h. minimiert den Verlust der Leiterzugkontrolle).
Barber et al., US-Patent 4 966 870, beschreibt das selektive reaktive Ionenätzen von Siliziumnitrid über Borphosphatsilikatglas und Titan-Dilisizit unter Verwendung einer CHF&sub3;/O&sub2;-Mischung. Baldi et al., US-Patent 4 897 365, lehrt ein Verfahren zur Verringerung von "Bird Beaks" (Oxidkeilen), die während eines Planox-Prozesses unter Verwendung von selektivem Ätzen von Siliziumnitrid über Siliziumoxid gebildet wurden durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung einer Mischung aus CHF&sub3;/CO&sub2;. Das Strukturieren von Siliziumnitrid mit Photoresist und das reaktive Ionenätzen von Siliziumnitrid sind dem Fachmann bekannt, und die Offenbarungen von Stocker, Barber er et al. und Baldi et al. beschreiben dieser Verfahren mit großer Genauigkeit.
WO-A-84-/04996 offenbart ein Verfahren zum Ätzen von Siliziumnitrid, bei dem eine auf einer Siliziumoxidschicht aufgebrachte und von einer weiteren Oxidschicht und einer Photoresistschicht bedeckte Siliziumnitridschicht selektiv mit CHF&sub3; und O&sub2; in einem Verhältnis von 15 : 1 selektiv geätzt wird.
Das Journal of Vacuum Science and Technology, Vol. 9, No. 3, Seiten 775-778 erörtert den Ätzmechanismus beim reaktiven Ionenätzen von Siliziumnitrid unter Verwendung von Gasmischungen aus CHF&sub3;/10% O&sub2; und CHF&sub3;/20% O&sub2;.
Schließlich offenbart IEEE Trans. Semicond. Manuf., Vol. 6; No. 3, Seiten 290 bis 292, das Ätzen von Siliziumnitrid auf dünnem Siliziumoxid mit CHF&sub3; : O&sub2; in einem Verhältnis zwischen 2,33 : 1 und 1 : 2,33, und wertet die Auswirkungen der Reaktion auf erhebliche Dimensionsverluste aus.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum gegenüber Photoresist und Siliziumoxid bevorzugten Entfernen von Siliziumnitrid beim Bearbeiten eines Halbleitersubstrats zu schaffen, wodurch sich ein erheblicher Dimensionsgewinn ergibt.
Die Aufgabe der Erfindung ist durch die zugehörigen Patentansprüche definiert.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Mischung aus Trifluormethan und Sauerstoff ein Verhältnis von ungefähr 8 zu 1 auf.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen zu Beispielszwecken:
Fig. 1 - ein mit Photoresist strukturiertes Halbleitersubstrat vor dem Ätzen des Siliziumnitrids;
Fig. 2 - ein Halbleitersubstrat nach dem Ätzen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren;
Fig. 3 - die Ätzraten für Siliziumnitrid, Siliziumdioxid und Photoresist unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 4 - eine Grafik zur Darstellung der Ätzgleichmäßigkeit und -selektivität unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 5 - den kritischen Dimensionsgewinn durch das erfindungsgemäße Verfahren.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Entfernen von Siliziumnitrid durch Plasmaätzen mit einer Mischung aus CHF&sub3; und O&sub2;. Das Verfahren entfernt bevorzugt selektiv Siliziumnitrid vor Photoresist und Siliziumdioxid und schafft kritischen Dimensionsgewinn.
Fig. 1 zeigt ein mit Photoresist strukturiertes Silizium-Halbleitersubstrat. Das Siliziumsubstrat 10 trägt eine Siliziumdioxidschicht 12, die eine Dicke von ungefähr 15 bis 25 Nanometer (150 bis 250 Ångström) aufweist. Ein Siliziumnitridschicht 14 von ungefähr 180 bis 200 Nanometer (1800 bis 2000 Ågnström) befindet sich auf der Silizium dioxidschicht 12. Auf der Siliziumnitridschicht 14 ist eine Photoresistschicht 18 mit einer Dicke von 0,7 bis 1, 2 Mikrometer (700 Nanometer bis 1200 Nanometer) vorgesehen. Die Schichten sind nicht maßstabgerecht gezeichnet, um die Merkmale der Erfindung deutlicher zu zeigen. Die zuvor erörterten Messungen umfassen KTI I-Linien positives Photoresist, jedoch ergibt sich der kritische Dimensionsgewinn auch mit anderen Resists.
Die Photoresistschicht 16 wurde derart strukturiert, daß Öffnungen belassen wurden, die nicht von Photoresist bedeckt sind, und andere Bereiche mit Photoresist bedeckt sind. Eine mit 18 bezeichnete typische Öffnung hat die Größe von 0,8 bis 1,0 Mikrometer. Die Breite des Photoresistleiters 22 beträgt üblicherweise ungefähr 0,5 Mikrometer. Wie zuvor bemerkt, ist es besonders erwünscht, das Erweitern der Öffnungen in der Nitridschicht 18 zu minimieren und dadurch den Verlust der Kontrolle über die Leiterzugbreite 22 zu minimieren. Die Breite 22 ist als die "developed inspection critical dimension (DICD)" bekannt, wodurch angegeben ist, daß es sich um die Breite des Leiters 22 nach der Photomaskenentwicklung (d. h. nach dem Photoresiststrukturieren) handelt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Siliziumnitridschicht 14 und die Photoresistschicht 16 nach dem Photoresiststrukturieren einem Plasmaätzen in einem einschrittigen Nitridätzverfahren unterzogen, bei dem CHF&sub3; von 80 sccm (standard cubic centimeters per minute) und O&sub2; von 10 sccm verwendet werden. Der Gasdruck beträgt ungefähr 5,32 N/m² (40 Millitorr) und die Entladung beträgt 700 Watt mit einem Magnetfeld von 20,10&supmin;&sup4; tesla (20 Gauss). Das Ätzen erfolgt vorzugsweise in einem Einzel-Wafer-Plasmaätzer, bei dem die Gleichmäßigkeit der Ätzbedingungen leichter zu erreichen ist als in einer Mehrfacetten- Ätzkammer zum Ätzen mehrerer Wafer.
Fig. 2 zeigt die Struktur auf dem Siliziumsubstrat 10 nach dem Plasmaätzen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Siliziumnitrid wurde in den Bereichen entfernt, in denen es nicht durch das Photoresist 16 maskiert ist. Es ist ein gewisses Ätzen durch das Nitrid zu verzeichnen, wobei etwas Siliziumdioxid (5 bis 17 Nanometer) (50 bis 170 Ångström) belassen ist. Fig. 2 zeigt, daß die Breite des Photoresists 22 ein wenig geringer als die Breite des verbleibenden Siliziumnitrids 14 ist. Insbesondere führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer kritischen Abmessung des Siliziumnitrids 24, die breiter als die kritische Abmessung 22 des Photoresists ist. Bei einem Photoresistleiter 22 von ungefähr 0,50 Mikrometer (500 Nanometer) beträgt die Breite des darunterliegenden Siliziumnitrids ungefähr 0,55 Mikrometer (550 Nanometer), ein Gewinn an kritischer Dimension von 50 Nanometern. Zwar ist der genaue Mechanismus nicht bekannt, jedoch bewirken chemische und operationsmäßige Abläufe den kritischen Dimensionszuwachs.
Wenn das Photoresist 18 im nächsten Verfahrensschritt entfernt wird, führt die vorliegende Erfindung zu einem Zuwachs der kritischen Dimension bei der Enduntersuchung (FICD) gegenüber der kritischen Dimension bei der Untersuchung des entwickelten Substrats (DICD) von 30 bis 80 Nanometern. Dies steht im Gegensatz zu bekannten Ätzvorgängen, die normalerweise wenigstens etwas Verlust an kritischer Dimension verzeichnen. Wenn sich ein kritischer Dimensionsverlust zwischen dem vorgesehenen Leiter auf einer Photoresistmaske und dem Endprodukt ergibt, ist eine größere Fläche des Silizium-Wafers zum Erzeugen einer bestimmten Vorrichtung erforderlich. Somit ermöglicht der kritische Dimensionsgewinn durch die vorliegende Erfindung eine höhere Auflösung und eine kleinere Vorrichtungsgröße.
Es hat sich gezeigt, daß Plasmaätzen unter Verwendung einer Mischung von CHF&sub3; und O&sub2; in einem Verhältnis von wenigstens 6 : 1 bis 15 : 1 ein zufriedenstellendes Ergebnis hinsichtlich des Entfernens von Siliziumnitrid und hinsichtlich des kritischen Dimensionsgewinns bewirkt. Verhältnisse zwischen 6 : 1 und 10 : 1 werden bevorzugt. Der Druck ist vorzugsweise geringer als 13,3 N/m² (100 mTorr) und liegt höchst bevorzugt zwischen 2,66 N/m² und 7,98 N/mm² (20 bis 60 mTorr). Die Hochfrequenzleistungsdichte beträgt vorzugsweise zwischen 0,6 und 1,1 W/cm². Die optimalen Prozeßbedingungen sind in der Tabelle 1 angegeben:

Tabelle 1:

CHF&sub3; (SCCM) 80
O&sub2; (SCCM) 10
Leistung (Watt) 700
Druck (N/m²) 5,32 (40 mTorr)
Magnetfeld (Tesla) 20,10&supmin;&sup4; (20 Gauss)
Endpunkt/Zeit (Sek.) 27*
* abhängig vom tatsächlichen Endpunkt, es handelt sich hier nur um eine Durchschnittszahl für eine Nitriddicke von 135 Nanometern (1350 Å).
Die Ergebnisse der Verwendung dieses Verfahrens sind eine Nitridätzrate von ungefähr 295 Nanometern (2950 Ångström) pro Minute, eine gute Nitridgleichmäßigkeit, eine Oxidätzrate von ungefähr 150 Nanometern (1500 Ångström) pro Minute (Selektivität von Nitrid zu Oxid 2 : 1). Die Restistätzrate beträgt ungefähr 123 Nanometer (1230 Ångström) pro Minute, gemessen auf Oxid. Daher ist die tatsächliche Ätzrate von Resist auf Nitrid viel geringer (etwa 50 Nanometer (500 Ångström)/Minute), und der Gesamtresistverlust stellt während der relativ kurzen Ätzzeit (ungefähr 30 Sekunden) kein Problem dar. Der kritische Dimensionsgewinn bei der Enduntersuchung beträgt zwischen 0,06 und 0,16 Mikrometer gegenüber der kritischen Dimension bei der Untersuchung nach der Entwicklung. Die Abweichung von der dichten Fläche zur großen isolierten Fläche auf dem Substrat ist minimal, bei einem Ätzprofil von 89º bis 90º in der dichten Fläche und 82º bis 86º in der großen isolierten Fläche (der Winkel bezeichnet denjenigen des Nitridprofils 26 (nach dem Entfernen des Photoresists) zur Horizontalen).
Die vorliegende Erfindung ist ein einschrittiger Vorgang, der das Nitridätzen gegenüber zweischrittigen Verfahren erheblich vereinfacht. Ein einschrittiger Vorgang ist leichter durchführbar. Da die Zeit für das Ätzen relativ kurz ist (ungefähr 30 Sekunden), ist, trotz der geringeren Ätzrate des einschrittigen Verfahrens gegenüber dem Schnellätzschritt des zweischrittigen Verfahrens, kein wesentlicher Durchsatzverlust zu verzeichnen, da keine Notwendigkeit besteht, die Reaktionsteilnehmer/Bedingungen in einem einschrittigen Verfahren zu verändern.
Fig. 3 zeigt die durch den Einzel-Ätzvorgang erreichten Ergebnisse mehrerer unterschiedlicher Tests. Die Grafik zeigt Siliziumnitrid-, Siliziumoxid- und Resistätzraten.
Fig. 4 zeigt die Ätzgleichmäßigkeit und die Selektivität von Nitrid/Oxid und Nitrid/Photoresist. Die Nitridätzgleichmäßigkeit ist in Prozent angegeben und bezieht sich auf Schwankungen über das bearbeitete Wafer-Substrat.
Fig. 5 zeigt den kritischen Dimensionsgewinn durch das erfindungsgemäße Verfahren bei Leiterbreiten von 0,7 bis 0,8 Mikron und 1,4 bis 1,6 Mikron. Wie zuvor erwähnt, zeigt das Verfahren kritische Dimensionsgewinne bei der Enduntersuchung gegenüber der kritischen Dimension bei der Untersuchung nach der Entwicklung.

Claims

1. Verfahren zum Ätzen einer Siliziumnitridschicht auf einem Siliziumsubstrat, mit den folgenden Schritten:

(a) Züchten einer Oxidschicht auf dem Substrat;

(b) Aufbringen einer Siliziumnitridschicht auf der Oxidschicht;

(c) Bilden einer strukturierten Photoresistschicht auf der Siliziumnitridschicht;

(d) Plasmaätzen der Schichten des strukturierten Photoresists und des Siliziumnitrids mit einer Gasmischung aus Trifluormethan und Sauerstoff unter einem Druck von weniger als 13,3 N/m² (100 Millitorr), wodurch das nicht von Photoresist bedeckte Siliziumnitrid selektiv entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Trifluormethan und der Sauerstoff in einem Strömungsverhältnis zwischen 6 : 1 und 10 : 1 vorliegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt des Entfernens des Photoresists nach dem Beenden des Ätzschritts.

3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit dem Schritt des Züchtens einer Feldoxidschicht über Bereichen freiliegenden Oxids nach dem Abschluß des Schritts des Entfernens des Photoresists.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Energiedichte beim Ätzschritt zwischen 0,6 und 1,1 W/cm² beträgt.