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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.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Somit
wäre ein
verbessertes Verfahren zum Ätzen
von Gatestapeln mit guten Ätzraten
und guter Selektivität,
aber verbesserter Anisotropie, höchst wünschenswert.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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Anisotropes Ätzen verschiedener
Gatestapel kann mit hoher Uniformität und hoher Selektivität, die in
der Lage ist, Submikrometer-Linien und -Abstände zu bilden, erreicht werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1A ist
eine Querschnittsansicht eines Substrats mit verschiedenen Gatestapelschichten darauf.
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1B ist
eine Querschnittsansicht des Substrats von 1A nach
dem Ätzen
zum Ausbilden eines Gatestapels.
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2 ist
eine isometrische Ansicht einer Vorrichtung zum Herstellen eines
planaren Plasmas.
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3 ist
eine Querschnittsansicht der Vorrichtung von 2.
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4 ist
eine schematische Ansicht der Schaltung der Vorrichtung von 2–3,
die ein Hochfrequenzpotential in einer Richtung senkrecht zu einer
Resonanzspule liefert.
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5 ist
eine Querschnittsansicht eines Substrats mit einem geätzten Gatestapel,
der über ein
Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt worden ist.
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6–8 sind
Mikroaufnahmen von gemäß dem Prozeß der Erfindung
ausgebildeten geätzten
Gatestapeln.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.