DE69534832T2

DE69534832T2 - Verbessertes Plasma-Ätzverfahren

Info

Publication number: DE69534832T2
Application number: DE69534832T
Authority: DE
Inventors: Virinder S. Fishkill Grewal
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1995-11-03
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2015-11-04
Also published as: KR960026340A; US5591301A; ATE320082T1; DE69534832D1; EP0718876A3; KR100413894B1; JPH08236513A; EP0718876A2; EP0718876B1; TW410401B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Ätzverfahren. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein verbessertes Plasma-Ätzverfahren für Gatestapel, mit denen man ein anisotropes Ätzen mit hoher Selektivität erhält.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Bei der Herstellung von Transistoren in einem Halbleitersubstrat wie etwa einem Siliziumwafer sind mehrere Schritte erforderlich, um die Gate-Elektroden der Transistoren auszubilden. Eine erste Schicht aus einem Gateoxid, z. B. Siliziumoxid, wird über dem Siliziumsubstrat abgeschieden, um es zu schützen. Als nächstes wird eine leitende dotierte Polysiliziumschicht abgeschieden, auf die wahlweise eine Schicht aus einem leitenden Material folgt, etwa einem hochtemperaturbeständigen Metallsilizid. Eine Kappenschicht aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, bevorzugt ein Siliziumoxid, erzeugt durch die chemische Dampfabscheidung aus Tetraethoxysilan (TEOS), wird ebenfalls abgeschieden.
Ein typischer Gatestapel ist in 1A gezeigt, wobei ein Siliziumwafer 12 eine Schicht aus Gate-Oxid 13 darauf aufweist, gefolgt von einer ersten Gateschicht aus leitendem, stark dotiertem Polysilizium 14. Eine zweite Gateschicht 15 aus einem hochtemperaturbeständigen Metallsilizid wie etwa Titansilizid oder Wolframsilizid und eine Kappenschicht 16 aus Siliziumoxid werden ebenfalls abgeschieden.
Der Gatestapel muss nun geätzt werden, um eine Gate-Elektrode zwischen den Bereichen in dem Substrat auszubilden, in denen die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode ausgebildet werden. Die Siliziumoxid-Hartmaskenschicht 16 wird mit einem Fotolack beschichtet, der Fotolack wird strukturiert und die Siliziumoxidschicht auf herkömmliche Weise geätzt, um eine „Hartmaske" auszubilden. Geeigneterweise ist das Ätzmittel für die Hartmaske ein fluorhaltiges Gas wie etwa CHF₃, C₂F₆, CF₄ und dergleichen.
1B veranschaulicht den Gatestapel, nachdem er geätzt worden ist, wobei die gleichen Zahlen wie in 1A für die gleichen Schichten verwendet werden. Die Siliziumoxid-Hartmaske und die Gateoxidschicht bleiben, und die beiden leitenden Schichten werden geätzt.
Da Bauelemente kleiner werden und näher beieinander platziert werden, werden die Gate-Elektroden entsprechend dünner und schmaler. Somit sind Nassätztechniken zum größten Teil durch Trockenätzen ersetzt worden, insbesondere Plasmaätzen, weil Plasmaätzen anisotroper ist und die Gate-Elektrode, insbesondere an ihrem Schnittpunkt mit dem Substrat, nicht unterschneidet. Ausserdem können Plasmaätzmittel verwendet werden, die hochselektiv sind; das heisst, sie ätzen bestimmte Materialien schneller als andere. Im Fall eines Gatestapels muss das Ätzmittel die Silizidschicht und die Polysiliziumschicht ätzen, aber nicht Siliziumoxid; somit bleiben die Kappenschichten und die anfänglichen Gateoxidschichten intakt, wie in 1B gezeigt. Plasmabearbeitung wird ebenfalls favorisiert, weil das Verarbeiten bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann, die das Substrat oder zuvor ausgebildete Bauelemente nicht beschädigen.
Es sind verschiedene Vakuumkammern entworfen worden, um das Plasmaätzen durchzuführen. Ein bestimmtes Design wurde von Ogle in dem US-Patent 4,948,458 offenbart. Die Ätzvorrichtung bildet ein magnetisch gekoppeltes planares Plasma zur Behandlung eines Substrats wie etwa einen Siliziumwafer. Diese Vorrichtung umfaßt eine Kammer mit einem dielektrischen Fenster. Eine planare Spule ist in der Nähe des Fensters befestigt, und eine HF-Stromquelle ist an die Spule gekoppelt, im Allgemeinen durch eine Impedanzanpassungsschaltung, um die Leistungsübertragung zu maximieren, und eine Zeitsteuerschaltung, um eine Resonanz bei der Arbeitsfrequenz, in der Regel 13,56 MHz, zu liefern. Prozessgas wird der Kammer durch einen Einlassport zugeführt. Wenn die HF-Leistung eingeschaltet ist, wird ein planares Magnetfeld induziert, das durch das dielektrische Fenster in das Innere der Kammer reicht. Somit wird ein zirkulierender Fluss von Elektronen in der Kammer in einer Ebene parallel zu der planaren Spule induziert, wodurch die Übertragung von kinetischer Energie in nichtplanaren Richtungen begrenzt wird.
Eine Oberflächenstütze in der Kammer stützt das zu verarbeitende Substrat parallel zu der Ebene der Spule und somit zum Plasma. Da die Plasmaspezies in nichtplanaren Richtungen eine geringe Geschwindigkeit aufweisen, ist der kinetische Aufprall von Ionenspezies auf dem Substrat gering und die vorwiegende Reaktion ist eine chemische Reaktion zwischen den Plasmaspezies und den Schichten auf dem Substrat. Diese Reaktion findet bei niedrigen Temperaturen und niedrigen Drücken statt.
Eine ausführliche Beschreibung der obigen Vorrichtung ist in den 2–4 gezeigt. Unter Bezugnahme auf die 2, 3 und 4 enthält ein Plasmabehandlungssystem 100, das sich für das Ätzen individueller Halbleiterwafer 110 eignet, eine Kammer 112 mit einem Zugangsport 114, der in einer oberen Wand 116 ausgebildet ist. Ein dielektrisches Fenster 118 ist unter der oberen Wand 116 angeordnet und erstreckt sich über den Zugangsport 114 hinweg. Das dielektrische Fenster 118 ist an der Wand 116 abgedichtet, um ein vakuumabgedichtetes Inneres 119 der Kammer 112 zu definieren. Eine planare Spule 120 ist neben dem dielektrischen Fenster 118 befestigt. Die Spule 120 ist als eine Spirale mit einem Mittenabgriff 122 und einem Aussenabgriff 124 ausgebildet. Die Ebene der Spule 120 ist sowohl parallel zu dem dielektrischen Fenster 118 als auch der Stützoberfläche 113 ausgebildet, auf der der Wafer 110 während des Ätzens befestigt ist. Die Spule 120 kann innerhalb des Inneren 119 der Kammer 112 ein planares Plasma erzeugen, das parallel zum Wafer 110 ist. Ein geeigneter Abstand zwischen der Spule 120 und der Stützoberfläche 113 kann etwa 5–10 cm betragen.
Ein Hochfrequenzgenerator (HF) 130 führt zu einem koaxialen Kabel 132 und zu einer Anpassungsschaltung 134. Die Anpassungsschaltung 134 enthält eine Primärspule 136 und eine Sekundärschleife 138, die so positioniert werden können, dass die effektive Kopplung der Schaltung eingestellt wird und eine Belastung der Schaltung bei der Arbeitsfrequenz gestattet wird. Die Primärspule 136 kann auf einer Scheibe 140 befestigt sein, die um eine vertikale Achse 142 gedreht werden kann, um die Kopplung einzustellen. Ein veränderlicher Kondensator 144 ist in Reihe mit der Sekundärschleife 138 geschaltet, um die Resonanzfrequenz des Kreises mit der Frequenzausgabe des HF-Generators 130 einzustellen. Die Impedanzanpassung maximiert die Effizienz der Leistungsübertragung auf die planare Spule 120. Ein zusätzlicher Kondensator 146 ist im Primärkreis vorgesehen, um einen Teil des induktiven Blindwiderstands der Primärspule 136 in der Schaltung aufzuheben.
Ein zweites HF-Potential von einer Quelle 172 wird an die Waferstütze 113 angelegt. Dieser HF-Generator 172 kann bei einer niedrigen Frequenz (unter etwa 550 kHz) oder bei einer hohen Frequenz (13,56 MHz) arbeiten, doch wird im Allgemeinen eine niedrige Frequenz eingesetzt. Die Frequenz des HF-Generators 172 und die des ersten HF-Generators 130 sind im Allgemeinen verschieden und liefern einen Resonanzstromfluss in der Spule 120. Wenn der primäre HF-Generator 130 bei 13,56 MHz arbeitet, arbeitet somit der zweite HF-Generator 172 geeigneterweise beispielsweise bei 400 kHz. Diese Konfiguration aus zwei HF-Stromquellen gestattet eine Steuerung der Energiemenge, die durch den primären HF-Generator 130 in das System 100 eingeführt wird, und eine Steuerung der Leistungsabgabe des HF-Generators 172 gestattet eine Steuerung der Geschwindigkeit, die den reaktiven Spezies in dem Plasma gegeben wird.
Um die Dichte des Plasmas zu maximieren und dadurch die Zeit zu reduzieren, die erforderlich ist, um einen Ätzschritt durchzuführen, wird eine vergleichsweise hohe Leistung in der Größenordnung von 300–600 Watt an die planare Spule 120 angelegt. Eine niedrigere Leistung von etwa 75–300 Watt wird an die Substratstütze 113 angelegt.
Somit erhält man durch höhere Leistung schnelle Ätzraten bei einem niedrigen Druck in der Kammer, d. h. 1 Torr oder weniger. Da die kinetische Energie von Ionen in einem derartigen Plasma gering ist, kommt es somit zu weniger Beschädigung am Wafer.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass das Laden der in der obigen planaren Spulenvorrichtung verarbeiteten Wafer ein Problem ist. Eine Nettoladung an der Substratspitze 113 wird auf den verarbeiteten Wafer 110 übertragen. Es wird angenommen, dass diese Nettoladung durch Ungleichförmigkeiten in dem Plasma verursacht wird. Weiter wird die Selektivität von halogenhaltigen Ätzmitteln wie etwa Chlor durch eine hohe Ionendichte in dem Plasma reduziert. Das hochdichte Plasma kann auch zu dem Unterschneiden des zu ätzenden Waferstapels führen. Beispielsweise enthält ein hochdichtes Plasma notwendigerweise eine hohe Dichte von Radikalspezies, die seitlich sowie horizontal ätzen und ein Unterschneiden der Gate-Elektroden verursachen, wie in 5 gezeigt, weiter unten weiter erörtert. Um dieses Unterschneiden weiter zu reduzieren, ist es üblich geworden, während der weiteren Plasmabearbeitung für einen Seitenwandschutz der Gate-Elektrode zu sorgen. Um ein seitliches Ätzen und Unterschneiden des geätzten Gatestapels zu verhindern, insbesondere an der Basis des Gatestapels, ist auch bekannt, im Verlauf des Ätzens ein Plasma zu erzeugen, das zusätzlich zu dem Ätzen des Gatestapels auch einen Schutzfilm auf den frisch geätzten Seitenwandoberflächen abscheidet. Die Ausbildung derartiger Schichten, die beispielsweise polymer sein können, verbessert die Anisotropie des Ätzens und verhindert ein Unterschneiden. Die Dicke dieser Seitenwandabscheidung ist jedoch schwierig zu steuern; wenn sie zu dünn ist, schützt sie nicht die geätzten Seitenwände; und wenn sie zu dick ist, beansprucht sie mehr Raum auf dem Substrat und beeinträchtigt die kritischen Abmessungen der Gate-Elektroden und ihrer Bauelemente. Dies ist für Submikrometer-Designregeln inakzeptabel.
Um in der Vorrichtung von 2–4 einen Ätzschritt auszuführen, wird durch einen in der Seite der Kammer 110 ausgebildeten Port 150 ein Gas in die Kammer 112 eingeleitet. Ein Vakuumaustrittsystem 152 hält den Druck in dem System aufrecht und evakuiert flüchtige Nebenprodukt- und nicht umgesetzte Gase.
Die Europäische Patentanmeldung EP-A-0-489407 beschreibt verschiedene Prozesse für das Ätzen eines Halbleiterwafers in einer Plasmaätzkammer. Das Dokument enthält mehrere Tabellen, die ein bestimmtes zu ätzendes Substrat spezifizieren. Je nach der Leistung für die Antenne und für die Vorspannung können verschiedene Ätzchemien verwendet werden. Beispielsweise kann für das Ätzen von Polysilizium über Oxid (Tabelle 4) eine Ätzchemie auf Chlorbasis verwendet werden.
Das US-Patent US-A-4 916,508 zeigt einen Schichtstapel aus einem Metallsilizid über Polysilizium für die Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors. Das Silizid kann mit Titan sein.
Somit wäre ein verbessertes Verfahren zum Ätzen von Gatestapeln mit guten Ätzraten und guter Selektivität, aber verbesserter Anisotropie, höchst wünschenswert.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es hat sich herausgestellt, dass die Verwendung von geringer Leistung in einer Vakuumkammer mit planarer Spule ein Plasma erzeugt, das sehr gleichförmig ist. Die Verwendung einer Vorläufergasmischung aus Chlor, Chlorwasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff erzeugt ein Plasma, das selektiv ist, und verhindert ein Unterschneiden von Gatestapeln während des Ätzens. Anspruch 1 definiert ein Verfahren, das diese Merkmale kombiniert, um ein selektives Ätzen von hochtemperaturbeständigen Metallsilizid- und Polysiliziumschichten bezüglich eines Gateoxids zu erzielen.
Anisotropes Ätzen verschiedener Gatestapel kann mit hoher Uniformität und hoher Selektivität, die in der Lage ist, Submikrometer-Linien und -Abstände zu bilden, erreicht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1A ist eine Querschnittsansicht eines Substrats mit verschiedenen Gatestapelschichten darauf.
1B ist eine Querschnittsansicht des Substrats von 1A nach dem Ätzen zum Ausbilden eines Gatestapels.
2 ist eine isometrische Ansicht einer Vorrichtung zum Herstellen eines planaren Plasmas.
3 ist eine Querschnittsansicht der Vorrichtung von 2.
4 ist eine schematische Ansicht der Schaltung der Vorrichtung von 2–3, die ein Hochfrequenzpotential in einer Richtung senkrecht zu einer Resonanzspule liefert.
5 ist eine Querschnittsansicht eines Substrats mit einem geätzten Gatestapel, der über ein Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt worden ist.
6–8 sind Mikroaufnahmen von gemäß dem Prozeß der Erfindung ausgebildeten geätzten Gatestapeln.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gatestapel können auf einem mit Siliziumoxid beschichteten Siliziumsubstrat hergestellt werden, indem beispielsweise eine erste Schicht aus einem dotierten Polysilizium auf ein Substrat abgeschieden wird, etwa durch Sputtern eine hochtemperaturbeständige Metallsiliziumschicht wie etwa TiSi oder WSi abgeschieden wird und über dem Silizid eine TEOS-Siliziumoxidkappe oder Hartmaske abgeschieden wird, siehe die obige Erörterung bezüglich der 1A und 1B.
Als der obige Gatestapel in einer Vorrichtung der 2–4 unter Verwendung eines konventionellen Ätzgases aus Chlor (etwa 50 Norm-Kubikzentimeter (sccm)), Stickstoff (etwa 2–3 sccm) und Sauerstoff (etwa 2–7 sccm) geätzt und mit Hilfe von HF-Quellen eine relativ hohe Leistung von 300–600 Watt zu der planaren Spule und etwa 75–300 Watt zu der Substratstütze erzeugt wurde, wurde das Substrat während des Ätzens geladen, und das Ätzprofil zeigte eine Unterschneidung.
5 zeigt das Profil des obigen geätzten Gatestapels, wobei die Zahlen für die verschiedenen Schichten die gleichen sind für gleiche Materialien wie für die 1A und 1B. 5 veranschaulicht, dass eine inadäquate Seitenwandpassivierung stattgefunden hat, was zu einem Unterschneiden sowohl der Silizidschicht 15 als auch der Polysiliziumschicht 14 führte. Das Unterschneiden der Polysiliziumschicht 14 ist am ausgeprägtesten und kann möglicherweise auf eine Zunahme der Aktivität von Plasmaradikalen kurz vor dem Ende des Ätzschritts zurückzuführen sein.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wurden Gatestapel in der Vorrichtung von 2–4 unter Verwendung eines Vorläuferätzgases aus HCl (20–100 sccm), Chlor (20–100 sccm), Stickstoff (2–5 sccm) und Sauerstoff (2–5 sccm) geätzt. Stickstoff und Sauerstoff werden zur Profilsteuerung und Seitenwandpassivierung zugesetzt. Der Zusatz von Sauerstoff verbessert auch die Selektivität der Plasma-Vorläuferätzgasmischung gegenüber Gateoxid. Die übertragene Leistung auf die planare Spule betrug 0–200 Watt, und die Leistung zu der Substratstütze betrug 50–200 Watt. Es wurde ein Ätzverhältnis von 1:1 zwischen den Silizid- und den Polysiliziumätzraten erzielt. Die Ätzgleichförmigkeit über einen 8-inch-Wafer (1 Inch = 2,54 cm) hinweg war besser als 5%. Eine Ätzselektivität gegenüber Gateoxid von 50–100 kann ohne weiteres für 50 Nanometer-Linien und -Abstände erreicht werden, wenn das obige Verfahren verwendet wird.
6 ist eine Mikroaufnahme eines geätzten Gatestapels, der TEOS-Siliziumoxid über n-dotiertem Polysilizium umfasst. Es ist offensichtlich, dass die Ätzung anisotrop ohne Unterschneidung ist.
7 ist eine Mikroaufnahme eines weiteren Gatestapels, der unter Verwendung des Verfahrens der Erfindung geätzt wurde, außer dass der Gatestapel eine erste Schicht aus Polisilizium enthält, mit einer zweiten gesputterten Wolframsilizidschicht überschichtet und einer TEOS-Siliziumoxidkappenschicht über der Silizidschicht. Wieder ist die Ätzung sehr anisotrop mit nur einem sehr geringfügigen Unterschneiden der Polysiliziumschicht.
8 ist eine Mikroaufnahme noch eines weiteren Gatestapels, der gemäß dem Verfahren der Erfindung geätzt wurde, außer dass dieser Gatestapel eine erste Schicht aus Polysilizium aufweist, mit einer gesputterten Titansilizidschicht überschichtet ist und einer TEOS-Siliziumoxidkappenschicht darüber. Auch diese Ätzung ist stark anisotrop mit nur einem geringen Ausmaß an Unterschneidung der Polysiliziumschicht.
Obwohl die Erfindung im Hinblick auf spezifische Ausführungsformen in der Spezifikation beschrieben worden ist, kann der Fachmann ohne weiteres verschiedene Reaktionsbedingungen, Gateschichten, modifizierte Vorrichtungen und dergleichen substituieren.

Claims

Verfahren zum Ätzen eines Substrats (110) in einem Plasma, mit den folgenden Schritten: – Anordnen eines zu ätzenden Substrats in einer Vakuumkammer (112), wobei das Substrat ein Siliziumsubstrat (12) mit einer Schicht aus einem Gateoxid (13) darauf enthält und eine Schicht aus dotiertem Polysilizium (14), eine Schicht aus hochtemperaturbeständigem Metallsilizid (15) und eine über die Schicht aus einem Gateoxid (13) angeordnete Schicht aus einer Siliziumoxidhartmaske (16); – Einleiten von Ätzgasen in die Kammer (12) während in der Kammer ein vorgewählter Druck aufrecht erhalten wird, wobei die Ätzgase Chlorwasserstoff, Chlor, Stickstoff und Sauerstoff umfassen; – einen Hochfrequenzstrom in einer planaren Spule (120) in Schwingung versetzen, die sich außerhalb von und neben einem dielektrischen Fenster (118) befindet, das in einer Wand (116) der Kammer (112) montiert ist, um ein planares Plasma im Wesentlichen parallel zu der Spule (120) innerhalb der Kammer (112) auszubilden; – Anlegen eines Hochfrequenzpotentials an die planare Spule (120) und eine Substratstütze (110) in der Kammer (112); – wobei Plasmaionen und -radikale in einer Richtung senkrecht zu dem planaren Substrat (110) beschleunigt werden; – Begrenzen der Leistung zu der planaren Spule (120) auf zwischen 0 und 200 Watt und Begrenzen der Leistung zu der Substratstütze (113) auf zwischen 50 und bis 200 Watt während des Ätzens; – Ätzen der Schichten aus Metallsilizid (15) und aus dotiertem Polysilizium (14) selektiv bezüglich der Schicht aus Gateoxid (13).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Hartmaskenschicht (16) eine Siliziumoxidschicht ist,
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Metallsilizidschicht (15) eine Titansilizidschicht oder eine Wolframsilizidschicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Substrat (110) ein Halbleiterwafer (12) mit einem Durchmesser von 20,32 cm (8 Inch) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit den folgenden Schritten – Anlegen eines Hochfrequenzsignals an die planare Spule (120) und – Anlegen eines Hochfrequenzsignals an die Substratstütze (113).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit dem Schritt des Einleitens von Chlorwasserstoff mit einer rate zwischen 20 und 100 sccm, Chlor mit einer Rate zwischen 20 und 100 sccm, Stickstoff mit einer Rate zwischen 2 und 5 sccm und Sauerstoff mit einer Rate zwischen 2 und 5 sccm in die Ätzkammer.