DE69723106T2

DE69723106T2 - Bestrahlung/halogenbehandlung zum trockenätzen eines oxids

Info

Publication number: DE69723106T2
Application number: DE69723106T
Authority: DE
Inventors: T. Robert FAYFIELD; D. Brent SCHWAB
Original assignee: FSI International Inc
Current assignee: Tel Manufacturing and Engineering of America Inc
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1997-10-24
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2017-10-25
Also published as: EP0946978B1; EP0946978A1; JP3256549B2; KR20000052940A; WO1998019336A1; KR100500908B1; WO1998019336A9; DE69723106D1; JP2000514606A; US5922219A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen gibt es viele Verfahrensschritte, die das Entfernen von Siliciumoxid mit sich bringen. Eine Anzahl von bekannten Protokollen zum Ätzen von Siliciumoxid verwenden eine flüssige oder Gasphasen-Mischung von HF und einem Katalysator wie ROH, wobei R Wasserstoff oder Alkyl ist (d. h. ROH = Wasser oder ein Alkohol). In neuerer Zeit wurden für diesen Zweck auch Gasphasensysteme beschrieben, die UV-bestrahltes Fluor- oder Fluorinterhalogengas verwenden..
Es war schon lange bekannt, dass HF/Wasser – Mischungen in der Gasphase verwendet werden können, um verschiedene Siliciumoxidfilme zu ätzen. Frühe Verweise schließen ein J. P. Holmes, et al., „A Vapor Etching Technique for the Photolithography of Silicon Dioxide", Microelectronics and Reliability, 5 pp 337–341 (1966)); und K. Breyer, et al., „Etching of SiO₂ in Gaseous HF/H₂O", IBM Technical Bulletin 19(7)(12/1976), die beide ein Azeotrop aus HF/Wasser verwendeten.
In US 4 749 440 (Blackwood) wird ein Verfahren zum Entfernen von Siliciumoxidfilmen von Siliciumhalbleiterscheiben unter Verwendung von wasserfreiem HF-Gas und Wasserdampf, getragen in einem Stickstoff – Fluss, offenbart. Die Gase werden unmittelbar vor dem Eintritt in eine Reaktionskammer gemischt. Die Produkte sind gasförmig und werden von dem inerten Stickstoff- Trägergas entfernt. Dieses Verfahren hat einen Vorteil gegenüber früheren Vorgehensweisen zum Ätzen in der flüssigen Phase durch verringerte Ablagerungen von Schwermetallen, die oft wäh rend Abspülschritten eingeführt werden, und durch verringerte Umweltprobleme. Außerdem gewährt die Verwendung von wasserfreiem HF eine verbesserte Prozesssteuerung, verglichen mit früheren Verfahren mit HF/Wasser in der Gasphase, bei denen HF als ein Azeotrop mit Wasser eingespeist wird. Ein Umgebungsdruck-Gerät zur Ausführung dieses Verfahrens ist derzeit von FSI International, Inc., unter dem Warenzeichen Excalibur© im Handel erhältlich.
Verschiedene Veröffentlichungen beschreiben HF/Alkohol – Verfahren zum Ätzen von Siliciumoxid.
Flüssigphasenreaktionen, bei denen HF/Alkohol – Mischungen auf eine sich schnell drehenden Siliciumhalbleiterscheibe unter N₂ in einer Glove-Box-Reaktionskammer aufgebracht werden, werden beschrieben in F. J. Grunthaner, et al., „Local Atomic and Electronic Structure of Oxide/GaAs and SiO₂/Si Interfaces Using High-Resolution XPS," J. Vac. Technol., 16 (5) 1443–1453 (1979); F. J. Grunthaner, et al., „Chemical and Electronic Structure of the SiO₂/Si Interface," Materials Science Reports, 1 69 (bei 82–86 und 130–160) (1986); W. J. Kaiser, et al., „Scanning Tunneling Microscopy Characterization of the Geometric and Electronic Structure of Hydrogen-Terminated Silicon Substrates," J. Vac. Soc. A, 6 (2), 519-523 (4/1988); und D. B. Fenner, et al., "Silicon Surface Passivation by Hydrogen Termination : A Comparative Study of Preparative Methods, J. Appl. Phys., 66(1) pp 419–424 (7/89). J. L. Prom, et al., "Influence of the Preoxidation Cleaning on the Electrical Properties of thin SiO2 Layers," IIE Proceedings, Pt 1, 135, (1), 20–22 (2/88) berichtet die Verwendung eines Eintauchens in HF und Ethanol (1 : 10) als letzten Schritt bei einer Reinigung vor der Oxidation.
US 5 022 961 , (Izumi), beschreibt ein Verfahren zum Entfernen eines Films eines Siliciumoxids von einem Siliciumsubstrat. Es werden zwei Schritte identifiziert:

(a) Einsetzen des Substrates in eine Reaktionskammer, die auf luftdichte Weise von der Außenluft isoliert werden muss; und
(b) Gleichzeitiges Einspeisen von wasserfreiem Fluorwasserstoff und Alkohol in die Reaktionskammer.

Die Quelle weist darauf hin, dass die HF/Alkohol Einspeisungen als flüssige Lösungen oder als Gasmischungen erfolgen können. Eine ähnliche Offenbarung eines Verfahrens zum Ätzen in der Gasphase bei Umgebungsdruck ist enthalten in A. Izumi, et al., „A New Cleaning Method by Using Anhydrous HF/CH₃OH Vapor System," J. Ruzyllo et al., ed., Symposium on Cleaning Technology in Semiconductor Device Manufacturing, ECS Proceedings, 92 (12), pp 260–266 (1992).
US-Patent 5 439 553 (Grant, et al.), erteilt am 8. August 1995 für eine in den Vereinigten Staaten am 30. März 1994 eingereichte Anmeldung, beschreibt und beansprucht ein Verfahren zum Entfernen von Siliciumoxid von einem Halbleiterscheibensubstrat, bei dem eine HF/Alkohol – Gasmischung bei niedrigem Druck verwendet wird, um die Kondensation minimal zu halten. Das gleiche Verfahren wurde früher in Kursusunterlagen veröffentlicht, die an die Teilnehmer eines kurzen Kursus mit dem Titel „Semiconductor Wafer Cleaning Technology" verteilt wurden, der in Austin, Texas, am 23. und 24. Februar von Werner Kern Associates, East Windsor, New Jersey, gehalten wurde. Bei diesem kurzen Kursus hielt einer der Erfinder von US 5 439 553 auch einen Vortrag über trockene Reinigungsverfahren, der eine Diskussion des Ätzens von Siliciumoxid in der Gasphase unter Verwendung eines HF/Methanol – Verfahrens unter Niederdruckbedingungen, wo Kondensation nicht stattfindet, einschloss.
J. Butterbaugh, et al., "Gas Phase Etching of Silicon Oxide with Anhydrous HF and Isopropanol" Proceedins of the Third International Symposium on Cleaning Technology in Semiconductor Device Manufacturing, ECS Proceedings, 94(7) pp 374–383 (1994), beschreiben ein HF/Isopropanol-Niederdruckätzverfahren für Siliciumoxid.
Über HF – Ätzsysteme zur Entfernung von Siliciumoxid, die keinen zugesetzten Katalysator verwenden, wird in N. Miki, et al., „Gas-Phase Selective Etching of Native- Oxide," IEEE Transactions on Electron Devices, 37 pp 107–115 (1/90) berichtet.
In EP 688 045 wird ein Verfahren zum Entfernen von Siliciumoxiden offenbart, das weniger selektiv für dotierte Oxide als auf HF beruhende Verfahren ist. Das Verfahren verwendet Fluor oder ein durch UV-Bestrahlung unter Erzeugung von einatomigem Fluor photolysierbares Gas, zusammen mit UV-Bestrahlung des Substrates.
Verschiedene Autoren bei Fujitsu Laboratories, Ltd., haben Veröffentlichungen geschrieben, die ein UV/Cl₂ – Verfahren zum Wegputzen von Metallverunreinigung von Siliciumhalbleiterscheiben – Substraten und UV/F₂/Ar- und UV/F₂/H₂ – Verfahren zum Ätzen von Siliciumoxid beschreiben. Diese Veröffentlichungen schließen ein: T. Ito, „Wafer cleaning with photo-excited halogen radical," Proceedings – Institute of Environmental Sciences, 1991, pp 808–813; Aoyama, et al., „Removing native oxide from Si(001) surfaces using photoexcited fluorine gas," Appl. Phys. Lett., 59, Nov. 1991, pp 2576–2578; Aoyama, et al., "Silicon Surface Cleaning Using Photoexcited Fluorine Gas Diluted with Hydrogen," J. Electrochem. Soc., 140, 1704–1708 (1993); Aoyama, et al., "Surface Cleaning for Si Epitaxy Using Photoexcited Fluorine Gas," J. Electrochem. Soc., 140, 366–371 (1993); und US 5 178 721 .
Da die Erfahrung mit diesen verschiedenen Gasphasenätzreaktionen angewachsen ist, ist es offensichtlich geworden, dass die erhaltenen Ergebnisse sehr unterschiedlich sein können, abhängig von der Behandlungsvorgeschichte des Substrates, insbesondere bei HF/Katalysator – Ätzsystemen. Die Ätztiefe und die Gleichmäßigkeit der Ätzung über die Halbleiterscheibe hinweg können ganz gut reproduzierbar sein, wenn eine Halbleiterscheibe schnell von einem Oxid erzeugenden Ofen zu der Ätzreaktionskammer überführt wird, aber die Reproduzierbarkeit des Verfahrens kann sich schnell verschlechtern, wenn die Halbleiterscheibe der Umgebung eines Reinraums ausgesetzt gelassen wird, oder der Lagerung in einem Vakuum in Standard-Halbleiterscheibenkassetten, für so kurze Zeit wie ein paar Minuten. Sorgfältige Steuerung der Aussetzung an die Umgebung zu einheitlichen Bedingungen kann dieses Problem bis zu einem gewissen Umfang herabsetzen, aber manchmal ist die Behandlungsvorgeschichte nicht bekannt oder sie ist außerhalb der normalen, kontrollierten Bedingungen, die für einen speziellen Ätzvorgang festgesetzt wurden. Zum Beispiel, wenn ein Vorgang des Herstellungsablaufs gerade vor einem Ätzvorgang wegen ungewöhnlicher Umstände unterbrochen wurde, und bis zu einem Zeitpunkt außerhalb des für den Beginn des Ätzens zulässigen Zeitbereiches nicht wieder aufgenommen werden kann.
Aus den Untersuchungen, die zu der Erfindung führten, wird ersichtlich, dass eine Hauptquelle der Ätzungleichmäßigkeit von Polymerkassetten herrühren kann, die verwendet werden, um Siliciumhalbleiterscheiben aufzubewahren, die in Erwartung der Verarbeitung sind, insbesondere unter Vakuum – Lagerbedingungen. Auf diese Weise können mehrere Halbleiterscheiben, die zur gleichen Zeit nach der Vervollständigung einer Oxidationsreaktion in eine Aufbewahrungskassette verbracht wurden und zur einzelnen Ätzverarbeitung schnell in eine Mehrfachwerkzeug-Vakuumanlage übertragen wurden, in beachtlicher Weise verschiedene Ergebnisse hinsichtlich der Ätzgleichmäßigkeit zeigen, abhängig davon, wie lang die Halbleiterscheibe in der Kassette ist, bis sie beim Ätzverfahren an der Reihe ist.
Weil die Behandlungsvorgeschichte nicht immer kontrolliert oder von Halbleiterscheibe zu Halbleiterscheibe identisch gehalten werden kann, wäre es wünschenswert, eine Halbleiterscheibe vor dem Ätzen in einen Zustand zu versetzen, der es der Ätzreaktion erlaubt, ohne Rücksicht auf die Behandlungsvorgeschichte reproduzierbar zu sein. Ferner wäre es wünschenswert, einen Halbleiterscheibe in eine passivierten Zustand zu versetzen, der die Ätzreaktion weniger empfindlich für die Behandlungsvorgeschichte der Halbleiterscheibe zwischen dem Zeitpunkt der Passivierung und der Ätzung der Halbleiterscheibe macht. Noch weiter wäre es wünschenswert, diese Ergebnisse auf Substraten von komplexer Zusammensetzung zu erreichen, einschließlich Substraten, die Gebiete mit exponiertem Silicium aufweisen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zum Wegätzen mittels HF/Katalysator in der Gasphase von Siliciumoxid von einem Substrat gerichtet, so wie ein Halbleiterscheibensubstrat aus Silicium oder Galliumarsenid, das eine Vorbehandlung mit bei einer Wellenlänge von 180–600 nm beleuchtetem Halogengas, gegebenenfalls mit Sauerstoff vermischt, verwendet, um einen gleichmäßigen Zustand der Oberfläche vor dem Ätzschritt mittels HF/Katalysator zu errichten. Insbesondere ist die Erfindung ein verbessertes Gasphasenverfahren zum Wegätzen von Siliciumoxid von einem Substrat, das einen Ätzschritt mittels HF/Katalysator umfasst, bei dem ein Substrat, das eine Oberfläche mit Siliciumoxid auf mindestens einem Teil davon hat, geätzt wird, wobei die Verbesserung darin besteht, dass vor dem HF/Katalysator – Ätzschritt die Substratoberfläche durch Aussetzung an ein bei einer Wellenlänge von 180–600 nm beleuchtetes Halogengas oder eine Mischung davon mit Sauerstoff vorbehandelt wird. Die Vorbehandlung ist besonders vorteilhaft für HF/ROH – Systeme, wobei R H oder Alkyl ist, die als sehr empfindlich für die Behandlungsvorgeschichte der Halbleiterscheibe befunden wurden. Insbesondere hat die Erfindung eine bemerkenswerte Verbesserung der Reproduzierbarkeit der Ätzgleichmäßigkeit der Ätzung von Halbleiterscheiben für HF/ROH – Systeme gezeigt, die bei weniger als dem Umgebungsdruck durch Ätzen einzelner Halbleiterscheiben, die nacheinander aus einer mehrere Halbleiterscheiben enthaltenden Vorratskassette entnommen wurden, betrieben werden. Die Reproduzierbarkeit der Ätztiefe ist ebenfalls gut, wenn Schritte unternommen werden, um zu gewährleisten dass das Substrat nach der Vorbehandlung auf eine übereinstimmende Temperatur gebracht wird, bevor man die Ätzreaktion in Gang setzt.
Das Vorbehandlungsverfahren versetzt das Substrat in einen gleichmäßigen Ausgangszustand für die SiO₂ – Ätzreaktion, mit wenig oder keinem Einfluss der Behandlungsvorgeschichte des Substrates. Mindestens wenn das Vorbehandlungsgas Sauerstoff enthält, ist der entstandene Abschluss der SiO₂ – Oberfläche ferner in hohem Maß widerstandsfähig gegen Wiederverschmutzung durch atmosphärische Feuchtigkeit oder Kohlenwasserstoffe unter typischen Reinraumbedingungen, so dass der Ätzschritt auf einer vorbehandelten Halbleiterscheibe ohne Verlust des Gleichmäßigkeitsvorteils durch den Vorbehandlungsschritt für einen beträchtlichen Zeitraum weiter verzögert werden kann. Für Substrate, die exponiertes Silicium auf der Oberfläche einschließen, das man während des Siliciumoxid – Ätzvorgangs nicht zu ätzen wünscht, ist ferner das Verfahren noch besonders vorteilhaft, wenn die Vorbehandlung Bestrahlung/F₂/O₂ ist, da diese Behandlung, (wenn geeignete F₂/O₂ – Verhältnisse verwendet werden), eine sehr dünne Oxidfluoridschicht erzeugt, die während der Vorbehandlung exponiertes Silicium gegenüber der Ätzung passiviert, die jedoch während des nachfolgenden Schrittes des Ätzens von Oxid leicht entfernt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1–3 sind Umrissdarstellungen von geätzten Siliciumoxid – Halbleiterscheiben, die jeweils wie in den Beispielen 1–3 berichtet geätzt wurden.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG IN EINZELHEITEN
Die Substratmaterialien, die mit dem vorliegenden Verfahren behandelt werden können, können allgemein jede Art von Substratmaterial sein, werden aber üblicherweise Si-, SiO₂- (einschließlich Quarz), oder Galliumarsenidsubstrate ausmachen. Der Substratätzvorgang kann ein Schritt bei der Herstellung irgendeines hergestellten Gegenstandes sein, hat jedoch eine spezielle Anwendung bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen und Mikromaschinenstrukturen.
Das Halogengas ist zweckmäßigerweise Fluor oder Chlor. Brom oder eine Interhalogenverbindung wie ClF₃ kann auch geeignet sein, aber solche Gase werden wegen der Schwierigkeit der Handhabung weniger bevorzugt. Das Halogengas wird zweckmäßigerweise bei einem Partialdruck von etwa 10 mTorr bis etwa Umgebungsdruck zugeführt (1 Torr = 133,3Pa). Ein Inertgas, wie Stickstoff, Helium oder Argon, kann als ein Verdünnungsgas verwendet werden, insbesondere bei sehr niedrigen Gasgesamtdrucken (unter 10 Torr), wo die Regelung des Halogenpartialdrucks schwierig sein kann. Bevorzugterweise beträgt der gesamte Gasdruck während des Vorbehandlungsschrittes von etwa 1 bis etwa 500 Torr.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Mischung des Halogengases und von Sauerstoff verwendet. Sauerstoff kann in einem Verhältnis von 0 bis 99,5% des gesamten Gasvolumens verwendet werden. Sauerstoffreiche Mischungen, insbesondere O₂/F₂ – Mischungen in einem Volumenverhältnis von etwa 99,5 : 0,5 bis etwa 80 : 20, werden vorteilhafterweise verwendet, da sie eine passivierte Oberfläche ergeben, die die Fähigkeit behält, eine reproduzierbare Gleichmäßigkeit der Ätzung herzustellen, sogar wenn das Substrat nicht unmittelbar darauffolgend geätzt wird. Für Substrate, die Flächen von exponiertem Silicium einschließen, unterdrücken oder beseitigen solche sauerstoffreiche Mischungen auch die Ätzung von Silicium durch das UV-beleuchtete Halogengas.
UV-Bestrahlung wird in dem Wellenlängenbereich von 180 bis 600 nm bereitgestellt. Es können Quellen mit breitbandigem Spektrum, die eine Ausgangsleistung über diesen ganzen Wellenlängenbereich liefern, verwendet werden. Jedoch sind Quellen mit engeren Spektrum, die eine Ausgangsleistung über nur einen Teil dieses Bereiches liefern, ebenfalls geeignet, wenn sie einen beträchtlichen Teil ihrer Ausgangsleistung innerhalb des Bereichs von 180–420 nm liefern. Geeignete Quellen sind Mitteldruck – Quecksilberdampflampen und Xenonlampen. Die UV-Strahlung kann pulsierend oder kontinuierlich sein. Ein Laser und geeignete optische Einrichtungen können ebenfalls verwendet werden, um den benötigten Fluss an UV-Photonen zu erzeugen. Die Geschwindigkeiten der Entfernung von Substratfilm und Verschmutzung können in einem hohem Ausmaß mittels der Intensität der UV-Bestrahlung, der Energie der UV – Photonen, der Belichtungszeit mit UV und/oder der Pulsrate von UV-Laser oder -Lampe gesteuert werden.
Während UV–Bestrahlung notwendig ist, um einen von der Behandlungsvorgeschichte unabhängigen Oberflächenzustand zu erhalten, kann die gesamte UV-Dosis ohne Beeinflussung der Ergebnisse der Vorbehandlung in weitem Umfang unterschiedlich sein. Zum Beispiel unterschied sich in einem Satz von Versuchen mit einem Aufbau, wie in den begleitenden Beispielen beschrieben, die gesamte Einspeisung elektrischer Energie in die UV-Blitzlampe von etwa 6 000 Joule bis etwa 20 000 Joule, ohne bemerkbare Auswirkung auf die nachfolgende Gleichmäßigkeit der Ätzung. Jedoch beeinflusst die UV-Dosis die Substrattemperatur, und eine gleichbleibende Substrattemperatur bei der Ingangsetzung der Ätzreaktion ist für Gleichmäßigkeit der Ergebnisse hinsichtlich der Ätztiefe erforderlich. Infolgedessen wird in dem üblichen Fall, wo die HF/Katalysator – Ätzung von SiO₂ unmittelbar dem Vorbehandlungsschritt folgt, der Bediener Zeit, Intensität und/oder Pulsfrequenz und Dauer der Aussetzung an die Bestrahlung steuern wollen, um das Substrat bei einer für die Ätzverarbeitung geeigneten Temperatur bereitzustellen, ohne unnötige Verzögerung wegen Abkühlung oder Erwärmung des Substrates. Die Temperatur des Substrates beim in Gang setzen des Vorbehandlungsschrittes beträgt zweckmäßigerweise von etwa Umgebungstemperatur bis etwa 250°C, vorzugsweise etwa 25°C bis etwa 50°C. Vorzugsweise wird die Bestrahlungsdosis so geregelt, dass die Substrattemperatur am Ende der Vorbehandlungsreaktion zwischen etwa 35°C und etwa 75°C liegt, noch bevorzugter bei nicht mehr als etwa 50°C.
Das Vorbehandlungsverfahren setzt das Reaktionsgas zweckmäßigerweise in einem fließenden System zu, um eine schnelle Entfernung irgendwelcher Reaktionsprodukte zu gestatten. Gesamte Gasdurchflussgeschwindigkeiten von 10 sccm bis etwa 5000 sccm können vorteilhafterweise verwendet werden.
Es können Vorbehandlungsbearbeitungszeiten von 2 Sekunden bis zu zehn oder mehr Minuten verwendet werden. Kürzere Bearbeitungszeiten sind schwierig in reproduzierbarer Weise zu steuern. Ausgedehnte Verarbeitungszeiten über etwa 3 Minuten sind unerwünscht, da sie den Durchsatz des gesamten Verfahrens verrin gern. Eine typische Bearbeitungszeit der Vorbehandlung liegt in dem Bereich von etwa 10 sec. bis etwa 90 sec.
Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Gasquelle bereitgestellt, die mit einer das zu ätzende oder zu reinigende Substratmaterial enthaltenden Reaktionskammer verbunden ist. Die Reaktionskammer umfasst zweckmäßigerweise ein aus chemisch inertem Material konstruiertes Vakuumgefäß, das von der Umgebungsatmosphäre hermetisch abgedichtet ist und unter den Umgebungsdruck evakuiert werden kann. Die Reaktionskammer wird auf einen geringen Basisdruck evakuiert. Das Substrat wird wünschenswerterweise durch eine isolierte Schleusenkammer in die Reaktionskammer eingeführt, die bis zu einem ähnlichen Basisdruck ausgepumpt werden kann. Einführen oder Herausnehmen des Substrates aus der Reaktionskammer erfolgt durch die Schleusenkammer. Alternativ kann das Substrat vor dem Evakuieren in die Kammer eingeführt werden. Dann wird das Reaktionsgas oder die Reaktionsgasmischung in die Kammer eingeführt. Beleuchtung kann von einer externen Lampe als Quelle durch ein durchsichtiges Fenster in der Kammer bereitgestellt werden. Der Gasfluss wird wünschenswerterweise in einem axialsymmetrischen Muster über die Oberfläche der Halbleiterscheibe hinweg bereitgestellt, weil der Vorbehandlungsschritt die Halbleiterscheibe in einen Zustand versetzt, wo Ungleichmäßigkeit im Fließmuster des Reaktorgases eher als die Aufbewahrungsvorgeschichte der Hauptfaktor zu sein scheint, der die Gleichmäßigkeit der Ätzergebnisse beeinträchtigt. Jedoch können bei Verwendung von Fließmustern des reaktiven Gases, die unsymmetrisch sind, noch hervorragende Ergebnisse erzielt werden.
Die Reaktionskammer kann auch eine Übertragungsschnittstelle mit einer kombinierten Roboter-Einheit (cluster tool) zum Übertragen unter Vakuum teilen, die auf einanderfolgendes Übertragen von Substratmaterialien von oder zu anderen Bearbeitungsbaugruppen ohne Aussetzung an die Umgebungsatmosphäre erlaubt.
Konstruktionen der Kammerapparatur, die für den Vorbearbeitungsvorgang geeignet sind, werden in WO 96/19825 beschrieben.
Der HF/Katalysator-Ätzschritt für Siliciumoxid des Verfahrens kann jedes bekannte Ätzverfahren für Siliciumoxid sein, und kann unmittelbar darauffolgend in dem gleichen Reaktor, oder in einem getrennten Reaktor, in den das Substrat nach Abschluss des Vorbehandlungsschrittes überführt wird, durchgeführt werden, gegebenenfalls nach einer Verzögerung wegen Lagerung. Wenn der HF/Katalysator-Ätzschritt in einem anderen Reaktor durchgeführt wird, ist es vorzuziehen, dass die Übertragung mittels Robotereinsatz erfolgt, geeigneterweise mittels eines Mehrfachhandhabungswerkzeugs (cluster tool), aber dies ist nicht zwingend erforderlich.
Die Erfindung ist besonders geeignet für HF/Katalysator – Systeme bei denen der Katalysator ROH ist, wobei R H oder Alkyl ist, obwohl auch andere Katalysatoren wie Aceton ebenfalls verwendet werden können. Typische Bedingungen für die Ätzung von Siliciumoxid werden in den in dem vorstehenden Abschnitt zum Hintergrund beschriebenen Verweisen angegeben. Für Ätzreaktionen, die bei einem Druck niedriger als derjenige der Umgebung durchgeführt werden, wird eine HF/Alkohol – Ätzbetriebsweise vorgezogen.
Die Erfindung wird durch die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele veranschaulicht.
BEISPIELE
UV/Cl₂ – und UV/F₂ – Vorbehandlungsverfahren wurden vor HF/IPA – Ätzverfahren für Siliciumdioxid in einem photochemischen Gasphasen – Vakuumreaktor durch geführt. Die für die Vorbehandlungen verwendete UV-Quelle war eine Breitband- (am meisten Energie zwischen 180 und 400 nm) 2000 Watt – Xenonblitzlampe. Die Substrate, Silicium – Halbleiterscheiben mit 6 inch (150 mm) Durchmesser, wurden mit 4000 Å thermischen Oxids, erzeugt in einem Oxidationsofen, bedeckt. Bei jedem Vorgang wurde das Oxid durch den HF/IPA-Ätzschritt teilweise verbraucht (< 1000 A). Die entstandene Gleichmäßigkeit der Ätzung wurde mit einem abbildenden Spektrometer unter Verwendung von 49 Punkten über einen Prüfquerschnitt von 137 mm gemessen.
Die folgende Abfolge von Verfahrenschritten kam für alle erfindungsgemäßen Experimente zur Anwendung:

1) Durchführung des UV/Halogen – Vorbehandlungsverfahrens
2) Halbleiterscheibe unter Vakuum abkühlen lassen (Abkühlzeit hängt vom UV-Vorbehandlungsverfahren ab)
3) Durchführung des HF/IPA – Vorbehandlungsverfahrens.

Die folgenden Parameter wurden für das UV/Halogen – Vorbehandlungsverfahren verwendet:
Die Substrattemperaturen betrugen beim Beginn des Vorbehandlungsschrittes etwa 42°C. Nach der Bestrahlung befanden sich die mit Cl₂ behandelten Substrate in einem Bereich von 60–200°C und die mit F₂/O₂ behandelten Substrate in einem Bereich von 48–100°C.
Die UV-Blitzlampe wurde auf eine Art betrieben, die 200 Joule elektrische Leistungseinspeisung pro Puls für die Lampe lieferte. Die Pulsdauer war 100 Mikrosekunden. Außer für Beispiel 14 wurde die Lampe mit 7 Pulsen/sec betrieben. In Beispiel 14 wurde die Lampe mit 3 Pulsen/sec betrieben.
Die folgenden Parameter wurden für das Oxidätzungs – Verfahren verwendet:
Beispiele 1–3
Diese Beispiele demonstrieren, dass Halbleiterscheiben ohne Vorbehandlung erhöhte Nichtgleichmäßigkeit der Ätzung zeigen, wenn die Alterungszeit zunimmt, wogegen mit UV/Cl₂ vorbehandelte Halbleiterscheiben unabhängig von der Alterungszeit zu annähernd der gleichen Gleichmäßigkeit der Ätzung zurückkehren. Man beachte, dass in diesem Experiment die mittlere Ätztiefe unterschiedlich war, weil die Temperatur bei der HF/IPA-Verarbeitung sich leicht von Durchlauf zu Durchlauf unterschied.
Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)
Keine Vorbehandlung. Eine Halbleiterscheibe, frisch aus dem Ofen, wurde wie vorstehend angezeigt geätzt. Die mittlere Ätztiefe war 365 Å. Die Gleichmäßigkeit der Ätzung, gemessen als die prozentuale Abweichung vom Mittelwert bei 1σ Standardabweichung, war 3,55%.
Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)
Keine Vorbehandlung. Halbleiterscheibe in einer Kassette > 1 Tag gealtert, gefolgt von der gleichen Oxidätzung. Die mittlere Ätztiefe war 364 Å; Ätzgleichmäßigkeit: 1 σ = 12,5%
Beispiel 3 (Erfindungsgemäßes Beispiel)
UV/Cl₂ (90 sec) Vorbehandlung ; Halbleiterscheibe in einer Kassette > 1 Tag gealtert; gleiche Oxidätzung. Die mittlere Ätztiefe war 582 Å; Ätzgleichmäßigkeit: 1 σ = 3,44%
Die Zeichnungen 1–3 sind Umrissdarstellungen der geätzten Halbleiterscheiben jeweils der Beispiele 1–3, wobei die fette Linie die mittlere Ätztiefe zeigt. Aus diesen Darstellungen kann man sehen, dass das Muster der Ätzungleichmäßigkeit sich mit der Alterung und noch einmal mit dem Vorbehandlungsschritt ändert. Zusätzlich zu besserer Gleichmäßigkeit zeigen die vorbehandelten Halbleiterscheiben eine Zeichnung des Ätzmusters, die für die Flussgeometrie der Kammer steht. Die gealterte Halbleiterscheibe ohne Vorbehandlung zeigt ein zur z-Achse symmetrisches Ätzmuster (keine Abzeichnung der Flussgeometrie der Kammer).
Beispiele 4–6
Diese Beispiele zeigen, dass LTV-Vorbehandlung allein oder Cl₂-Vorbehandlung allein nicht ein derartiges Ergebnis bezüglich Ätzgleichmäßigkeit ergeben können wie das kombinierte UV/Cl₂-Verfahren.
Beispiel 4 (Vergleichsbeispiel)
Cl₂-Vorbehandlung (90 sec) an einer Halbleiterscheibe, die in einer Aufbewahrungskassette > 1 Tag gealtert war. Es wurde die gleiche Oxidätzung wie in den vorhergehenden Beispielen angewendet. Die mittlere Ätztiefe war 426 Å; Ätzgleichmäßigkeit: 1σ = 9,81%
Beispiel 5 (Vergleichsbeispiel)
UV-Vorbehandlung (90 sec) an einer Halbleiterscheibe, die in einer Aufbewahrungskassette > 1 Tag gealtert war; gleiche Oxidätzung. Die mittlere Ätztiefe war 474 Å; Ätzgleichmäßigkeit: 1 σ = 13,2% Beispiel 6 (Erfindungsgemäßes Beispiel) UV/Cl₂-Vorbehandlung (90 sec); Halbleiterscheibe in einer Aufbewahrungskassette > 1 Tag gealtert; gleiche Oxidätzung. Die mittlere Ätztiefe war 582 Å; Ätzgleichmäßigkeit: 1 σ = 3,44%
Beispiele 7–9
Diese Beispiele demonstrieren das UV/F₂/O₂– Vorbehandlungsverfahren und dessen Leistung, verglichen mit einer unbehandelten, geätzten Halbleiterscheibe. Man beachte, dass beim Beispiel 9 eine beachtliche Verzögerung zwischen der Vorbehandlung und der darauffolgenden Oxidätzung vorhanden ist. Die Ergebnisse von Beispiel 9 zeigen an, dass zusätzlich zur Vorbehandlung der Oberfläche das F₂/O₂– Verfahren auch darauffolgende Verschmutzung verhindert.
Beispiel 7 (Vergleichsbeispiel)
Keine Vorbehandlung. Halbleiterscheibe in einer Kassette > 1 Tag gealtert; gleiche Oxidätzung. Die mittlere Ätztiefe war 208 Å; Ätzgleichmäßigkeit: 1σ = 5,5
Beispiel 8 (Erfindungsgemäßes Beispiel)
UV/F₂/O₂ (30 sec) Vorbehandlung ; Halbleiterscheibe in einer Kassette > 1 Tag gealtert; gleiche Oxidätzung. Die mittlere Ätztiefe war 229 Å; Ätzgleichmäßigkeit: 1σ = 3,4% Beispiel 9 (Erfindungsgemäßes Beispiel) UV/F₂/O₂ (30 sec) Vorbehandlung ; Halbleiterscheibe in einer Kassette > 1 Tag gealtert; der Vorbehandlung folgten 12 Stunden in einer Kassette und dann Ätzen mit der gleichen Oxidätzung. Die mittlere Ätztiefe war 278 Å; Ätzgleichmäßigkeit: 1σ = 3,6
Beispiele 10–15
Tabelle 1 zeigt Verarbeitungsbedingungen für Halbleiterscheiben, die nach der Oxidation in Kassetten aus weißem Polypropylen 1 Monat lang gelagert wurden, gefolgt von Vorbehandlung, wenn angegeben; Lagerung in schwarzen kohlenstoffverstärkten Polypropylen-Aufbewahrungskassetten unter Vakuum für eine Zeit wie in der Tabelle angezeigt; und dann eine HF/IPA – Behandlung wie in den vorhergehenden Beispielen. Die Ergebnisse der gemessenen Ätzgleichmäßigkeit (1σ Abweichung) werden in der Tabelle angegeben. Die Beispiele 10–12 sind Vergleichsbeispiele.
Tabelle 1
Aus den vorstehenden Beispielen kann man sehen, dass sowohl die Cl₂- wie auch die F₂/O₂ – Behandlungsvorgänge eine messbare Verbesserung der Ätzleistung zur Folge hatten. F₂/O₂ – Behandlungsvorgänge hatten eine messbare Verbesserung der Ätzleistung zur Folge. Beide Vorbehandlungsverfahren ergaben eine bessere Gleichmäßigkeit der Oxidätzung innerhalb der Halbleiterscheibe, verglichen mit dem HF/IPA-Verfahren allein (ohne Vorbehandlung). Die vorbehandelten Ätzungen ergaben immer gleiche Gleichmäßigkeit der Oxidätzung innerhalb der Halbleiterscheibe, unabhängig von Alterungszeit oder Lagerungsvorgeschichte nach der Behandlung. Das heißt, der Zustand der Halbleiterscheibenoberfläche wurde in wirksamer Weise in einen übereinstimmenden Ausgangszustand versetzt und behielt ihn für eine ausgedehntere Zeit. Im Gegensatz dazu nahm die Ungleichmäßigkeit der unbehandelten, HF/IPA – geätzten Halbleiterscheiben mit der Alterungszeit zu. Folglich nahm der Unterschied hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Oxidätzung zwischen vorbehandelten und unbehandelten Halbleiterscheiben zu, wenn die Halbleiterscheiben in einer Plastikkassette altern gelassen wurden. Ferner ergaben Vorbehandlungen, die nur aus Beleuchtung (kein Halogen) oder nur aus Halogen (keine Beleuchtung) bestanden, keine messbare Verbesserung der Ätzleistung.

Claims

Ein Verfahren zum Wegätzen in der Gasphase von Siliciumoxid von einem Substrat, umfassend: a) einen ersten Schritt, in dem das Substrat in einer Reaktionskammer Halogengas ausgesetzt wird, das mit Licht im Wellenlängenbereich von 180–600 nm bestrahlt wird, wobei der erste Schritt einen einheitlichen Zustand der Substratoberfläche herstellt, unabhängig von der Behandlungsvorgeschichte der Halbleiterscheibe, und darauf folgend b) einen zweiten Schritt, in dem Siliciumoxid von dem Substrat unter Verwendung eines Gasphasen-Reaktionssystems, umfassend HF und einen Katalysator, weggeätzt wird.
Das Verfahren von Anspruch 1, wobei der Katalysator ROH ist, wobei R H oder eine Alkylgruppe ist.
Das Verfahren von Anspruch 1, wobei das Halogengas im Schritt a) Fluor, Chlor, Brom oder eine Interhalogenverbindung ist.
Das Verfahren von Anspruch 3, wobei das Halogengas in einer Mischung mit bis zu 99,5% Sauerstoff, bezogen auf das gesamte Gasvolumen in der Reaktionskammer, vorliegt.
Das Verfahren von Anspruch 4, wobei das Halogengas Fluor und das Volumenverhältnis von Sauerstoff zu Fluor von etwa 99,5 : 0,5 bis etwa 80 : 20 beträgt.
Das Verfahren von Anspruch 1, wobei das Halogengas in einer Mischung mit einem Inertgas vorliegt.
Das Verfahren von Anspruch 1, wobei das Substrat aus Si, SiO₂ oder Galliumarsenid hergestellt ist.
Das Verfahren von Anspruch 1, wobei das Substrat zwischen den Schritten der Vorbehandlung und des Ätzens einer Zeitspanne der Lagerung unterworfen wird.
Das Verfahren wie in Anspruch 8, wobei das Substrat während mindestens einem Teil der Zeitspanne der Lagerung unter Vakuum in einem Kunststoffbehälter aufbewahrt wird.
Das Verfahren von Anspruch 1, wobei die Bestrahlung innerhalb des Bereichs von 180–420 nm erfolgt.
Das Verfahren von Anspruch 1, bei dem die Temperatur des Substrates zu dem Zeitpunkt, an dem der Vorbehandlungsschritt begonnen wird, zwischen etwa Umgebungstemperatur bis etwa 250°C liegt.
Das Verfahren von Anspruch 11, wobei die Bestrahlung während des Bestrahlungsschrittes pulsierend ist.
Das Verfahren von Anspruch 12, wobei die Dauer, Frequenz und Strahlungsdichte der Bestrahlungspulse so eingestellt werden, dass beim Ende des Vorbe handlungsschrittes eine Substrattemperatur von zwischen etwa 35°C und etwa 75°C bereitgestellt wird.
Das Verfahren von Anspruch 1, wobei der Druck in der Reaktionskammer während des Vorbehandlungsschrittes zwischen etwa 1,33 Pa bis etwa Umgebungsdruck beträgt.
Das Verfahren von Anspruch 14, wobei in dem Schritt a) das Halogengas gegebenenfalls in Beimischung mit Sauerstoff oder einem Inertgas oder beiden unter Durchflussgasbedingungen bereitgestellt wird, wobei die gesamte Gasdurchflussgeschwindigkeit zwischen 10 sccm bis etwa 5000 sccm beträgt.
Das Verfahren von Anspruch 15, wobei der Gasdurchfluß in einem axialsymmetrischen Fließmuster über das Substrat hinweg bereitgestellt wird.
Das Verfahren von Anspruch 3, wobei das Halogengas Chlorgas ist.