DE10016938C2 - Selektives Trockenätzen eines dielektrischen Films - Google Patents

Description

TECHNISCHES ANWENDUNGSGEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ein Verfahren zum Ätzen eines dielektrischen Films und im besonderen auf ein Verfahren zum Ätzen einer Oxidschicht auf einer Nitridschicht mit hoher Selektivität.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In der Herstellung von Halbleitern besteht ein wesentlicher Schritt darin, eine Oxidschicht, die auf einer Nitridschicht wie beispielsweise Siliziumnitrid aufgetragen wurde, ganz oder teilweise wegzuätzen. Dabei stellt die Aufgabe, die Ätzung mit hoher Selektivität für die Oxidschicht durchzuführen, eine große Herausforderung dar. Da sowohl das Oxid- als auch das Nitridmaterial in einem Ätzplasma ungefähr gleich schnell geätzt werden, wurde die Herausforderung, ein Verfahren mit einer ausreichenden Selektivität bereitzustellen, bislang nicht erfüllt.

Ein Versuch, diese Herausforderung zu erfüllen, besteht in der Verwendung eines fluorsubstituierten Kohlenwasserstoffs als Ätzmittel. Das Fluor reagiert mit dem vorhandenen Kohlenstoff und bildet auf dem Substrat eine passivierte Fluorkohlenstoff- Polymerschicht. Dieses Polymer wird von Sauerstoffatomen aufgespalten, die während der Ätzung der Oxidschicht freigesetzt werden. Mit fortlaufender Ätzung der Oxidschicht wird die Nitridschicht aufgrund des Vorhandenseins der passivierenden Schicht immer langsamer geätzt. Leider wird auch die passivierende Schicht angegriffen, und zwar von freien Fluoratomen im Plasma. Die Folge ist, daß die Ätzung der Nitridschicht schneller voranschreitet als erwünscht.

Marks et al. beschreiben im US-Patent Nr. 5,423,945 ein weiteres Verfahren zum selektiven Ätzen einer Oxidschicht auf einer Nitridschicht. Das beschriebene Verfahren verwendet hochpolymerisierende Gase wie beispielsweise C₄F₈ oder CH₂F₂ mit einem Fluoradsorber wie beispielsweise CO. Dabei wird auf der Nitridschicht eine kohlenstoffreiche Polymerschutzschicht gebildet. Zwar wird damit eine bessere Ätzselektivität der Oxidschicht gegenüber der Nitridschicht erreicht, doch gehen mit diesem Verfahren auch mehrere Nachteile einher.

Erstens erfordert das von Marks et al. beschriebene Verfahren die Bildung eines Polymers auf der Nitridschicht, damit die Ätzung auf der Nitridschicht langsamer wird. Dieses Verfahren ist für sehr dünne Nitridschichten von 20 nm oder weniger nicht optimal geeignet, da die Nitridschicht durch den Ätzvorgang verbraucht sein kann, bevor der Effekt der Selektivität erreicht ist. Zweitens kann die Verwendung eines polymerisierenden Gases nicht wünschenswert sein, da seine hohe Selektivität bei der nachfolgenden Ätzung der Nitridschicht (dieser Schritt ist in der Halbleiterproduktion nach wie vor üblich) bleibende Schäden verursachen kann.

Darüber hinaus neigen hochpolymerisierende Gase dazu, sowohl auf dem geätzten Substrat als auch in der Prozeßkammer Rückstände in beträchtlichem Umfang zu hinterlassen. Infolge dieser Rückstände ist sowohl auf dem Substrat als auch in der Prozeßkammer eine Nachreinigung erforderlich. Dazu kommt, daß viele polymerisierende Gase, darunter auch CH₂F₂, brennbar, toxisch oder brennbar und toxisch sind. CO, das als Adsorbergas verwendet wird, ist toxisch und neigt dazu, aus rostfreien Edelstahl-Komponenten Nickel und Eisen zu extrahieren und diese in der Gasleitung der Ätzkammervorrichtung abzulagern.

Die Nachteile bei der Verwendung herkömmlicher Verfahren zum Ätzen einer Oxidschicht auf einer Nitridschicht machen deutlich, daß ein Verfahren benötigt wird, das eine hohe Selektivität für die Oxidschicht aufweist, nicht­ polymerisierende Gase verwendet und zur Verwendung auf einer Oxidschicht, die über einer dünnen Nitridschicht aufgetragen wurde, geeignet ist. Um die Nachteile herkömmlicher Verfahren zu überwinden, wird ein neues Verfahren vorgestellt. Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Ätzen einer Oxidschicht auf einer Nitridschicht mit hoher Selektivität bereitzustellen. Gleichzeitig wird versucht, ein Verfahren anzubieten, das sich für Oxidschichten auf dünnen Nitridschichten eignet. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzubieten, in dem nichtpolymerisierende Gase verwendet werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um diese und weitere Ziele zu erreichen, sowie in Anbetracht ihrer Zwecke, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ätzen einer Oxidschicht auf einer Nitridschicht in einem oberen Teil eines Substrats bereit. Das Substrat wird mit hoher Selektivität für die Oxidschicht auf der Nitridschicht geätzt, und zwar mit einem Plasma, das von einem kohlenstoff- und fluorhaltigen Gas sowie von einem stickstoffhaltigen Gas abgeleitet ist. Das Ätzen des Substrats durch die Oxidschicht auf die Nitridschicht erzeugt eine SixNy-Form, die auf der Nitridschicht abgelagert wird. Dieser Vorgang liegt einigermaßen im Gleichgewicht mit der Ätzung der Nitridschicht.

Bei dem genannten kohlenstoff- und fluorhaltigen Gas handelt es sich vorzugsweise um CF₄, C₂F₆ oder eine Mischung dieser Verbindungen. Bei dem stickstoffhaltigen Gas handelt es sich vorzugsweise um N₂, NH₃ oder eine Mischung dieser Gase. Die Nitridschicht, die sich unter der Oxidschicht befindet, sollte vorzugsweise durch chemische Dampfabscheidung (CVD) gebildet worden sein. In Frage kommende Verfahren wären hier beispielsweise die chemische Niederdruck-Dampfabscheidung (LPCVD) oder die plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD). Am besten geeignet für die Bildung der Nitridschicht wäre die plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD).

Es wird darauf hingewiesen, daß sowohl die obige allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende ausführliche Beschreibung nur Beispielcharakter haben und das Prinzip der vorliegenden Erfindung durch die Beschreibung nicht eingeschränkt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUR

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung wird am besten verständlich, wenn die nachfolgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Figur gelesen wird. Es sei darauf hingewiesen, daß entsprechend der üblichen Vorgehensweise die verschiedenen Bestandteile der Figur nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Das Gegenteil ist der Fall: die verschiedenen Abmessungen wurden zur besseren Veranschaulichung willkürlich vergrößert oder verkleinert. Die einzige Figur, Fig. 1, zeigt schematisch einen Querschnitt einer herkömmlichen Ätzvorrichtung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Als nächstes soll die vorliegende Erfindung unter Verweis auf Fig. 1 veranschaulicht werden. Die Figur ist beispielhaft, nicht einschränkend. Sie soll dem besseren Verständnis der Beschreibung dieser Vorrichtung, die für das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, dienen.

Fig. 1 ist ein Querschnitt einer herkömmlichen Ätzkammer 10. Ein Gehäuse 12, das beispielsweise aus Aluminium bestehen kann, definiert eine Ätzkammer 14. Das zu verarbeitende Substrat 22, beispielsweise ein Silizium-Wafer, ist an einem Elektrodenaufnahmeelement 16 befestigt. Dieses Element 16 ist normalerweise die Kathode. Die Innenwände des Gehäuses 12 bilden die Anode. Die Kathode 16 ist an eine HF-Quelle 18 angeschlossen. Ein Gasverteiler 20, der an eine Prozesgasquelle (nicht dargestellt) angeschlossen ist, liegt in einem geringen Abstand dem Kathodenelement 16 genau gegenüber. Wenn das Prozeßgas den Gasverteiler 20 über die Öffnungen 23 verläßt, wird es auf das Substrat 22 geleitet. Wenn die HF-Spannung an die Substrathalterung 16 angelegt wird und die Prozeßgase an den Verteiler 20 geleitet werden, wird zwischen dem Verteiler 20 und dem Substrat 22 ein Plasma gebildet. Eine abgehende Leitung 24, die an eine Vakuumpumpe (nicht dargestellt) angeschlossen ist, erhält den Druck in der Kammer aufrecht und leitet verbrauchte Gase und Reaktionsprodukte ab.

Allgemein gilt: Wenn ein Fluorkohlenstoff-Ätzgas, beispielsweise CF₄, C₂F₆, C₃F₈, CH₂F₄, das sowohl Kohlenstoff als auch Fluor enthält, auf ein Plasma geleitet wird, werden im Plasma verschiedene Fragmente erzeugt. Diese Fragmente sind, unter anderem, freie Fluoratome, CF- und CF₂-Radikale. Das Fluor ätzt die Siliziumoxidschichten auf einem Substrat. Während des Ätzvorgangs wird jedoch auch ein Polymer aus Kohlenstoff und Fluor gebildet, das sich auf dem Substrat ablagert und eine passivierende Schicht bildet. Diese Polymere werden von Sauerstoffatomen angegriffen. Daher spalten die Sauerstoffatome der Oxidschicht das Polymer bei seiner Bildung, ohne daß dadurch die Ätzung der Oxidschicht beeinträchtigt wird. Wenn jedoch kein Sauerstoff vorhanden ist, was zum Beispiel der Fall ist, wenn eine sauerstofflose Schicht (beispielsweise eine Nitridschicht) erreicht wird, dann ist kein Sauerstoff vorhanden, um die passivierende Polymerschicht aufzuspalten. An dieser Stelle wird die Siliziumoxidschicht weitergeätzt, und die passivierende Nitridschicht ätzt langsamer.

Leider wird das passivierende Polymer ebenfalls von Fluor angegriffen, und die kontinuierliche Bildung von Fluorionen im Plasma bombardiert die Polymerschicht und greift sie an.

Dadurch wird das Polymer aufgespalten, worauf die Nitridschicht vom Plasma geätzt wird.

Es wurden bereits mehrere Versuche unternommen, als Ätzgas eine Mischung aus CHF₃ und HeO₂ zu verwenden, die ebenfalls ein passivierendes Polymer auf der Nitridschicht erzeugt. Dieser Polymeraufbau geht nicht sehr einheitlich vonstatten, d. h. die Uneinheitlichkeit der Ätzgeschwindigkeit ist von der Mitte bis zum Rand an der Ätzstop-Nitridschicht sehr hoch. Diese unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeiten sind beim Ätzen der Nitridschicht in der nachfolgenden Verarbeitung ein großes Problem. Wenn darüber hinaus der Nitridfilm durch eine plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung gebildet wird, wird der Unterschied in der Ätzgeschwindigkeit aufgrund der einfacheren Ätzbarkeit der Nitridschicht noch größer.

Man hat herausgefunden, daß das Ätzen mit einem Plasma, das von einem kohlenstoff- und fluorhaltigen Gas und von einem stickstoffhaltigen Gas abgeleitet wurde, die oben genannten Mängel verringert. Insbesondere hat man entdeckt, daß das Ätzen eines Substrats, auf dem sich eine Oxidschicht über einer Nitridschicht befindet, mit einem Plasma, das von einem kohlenstoff- und fluorhaltigen Gas und von einem stickstoffhaltigen Gas abgeleitet wurde, eine Si_xN_y-Form erzeugt. Diese Si_xN_y-Form, in der x = 2, 3 oder 4 und y = 1, 2, 3 oder 4 ist, wird erzeugt durch die Reaktion von SiF_x, einem Nebenprodukt des Ätzvorgangs, mit Stickstoffradikalen und -ionen, beispielsweise N, N₂ ^- und N^-, wenn der Ätzvorgang anhält, bis die Oxidschicht durchdrungen und die Nitridschicht erreicht ist. (Es ist möglich, daß mehrere verschiedene Si_xN_y- Formen während eines einzigen Prozesses gebildet werden. Zum Beispiel kann eine Si₂N_y-Form zusammen mit einer Si₃N_y-Form gebildet werden.) Die Si_xN_y-Form, bei der es sich vorzugsweise um die Si₃N₄-Form handelt, ist der Plasmavorläufer für Nitridschichten, die durch chemische Dampfabscheidung und insbesondere die plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung gebildet werden. Als Vorläufer hat die Si_xN_y-Form eine Affinität für die Nitridschicht, wodurch sie an Teilen der Nitridschicht, die geätzt wurden, "festklebt".

Mit dem Vorhandensein von Si_xN_y im Ätzplasma tritt der umgekehrte Prozeß der Nitridätzung ein: Teile der geätzten Nitridschicht werden durch Nitridablagerungen ersetzt. Der Nitridablagerungsprozeß liegt im wesentlichen in einem Gleichgewicht mit dem Nitridschicht-Ätzprozeß, wodurch sich eine hohe Selektivität der Oxidschicht gegenüber der Nitridschicht ergibt. Das Ergebnis ist eine Verringerung der Ungleichheit gegenüber bisherigen Prozessen.

In dieser Patentschrift bezeichnet der Begriff "Oxidschicht" diejenigen Oxidschichten, die üblicherweise in der Halbleiterherstellung verwendet werden. Dies sind beispielsweise Siliziumdioxid, Silanoxid oder Tetraethylorthosilikat (TEOS)-Oxid. Entsprechend bezeichnet der Begriff "Nitridschicht" solche Nitridschichten, die üblicherweise in der Halbleiterherstellung verwendet werden, beispielsweise Siliziumnitrid. Das Prinzip der vorliegenden Erfindung eignet sich auch für dünne Nitridschichten mit einer Dicke von weniger als etwa 20 nm.

In der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den verwendeten Fluorkohlenstoff-Ätzgasen vorzugsweise um CF₄, C₂F₆ oder Mischungen dieser Verbindungen. Das stickstoffhaltige Gas ist vorzugsweise NH₃, N₂ oder eine Mischung dieser Verbindungen. Der Prozeß der vorliegenden Erfindung läßt sich in üblichen Prozeßkammern durchführen, beispielsweise Diodenkammern oder hochdichten Plasmakammern. Die Ätzkammer wird von einer HF-Energiequelle versorgt, die sich über die Elektroden der Kammer mit dem Plasma kapazitiv koppeln läßt. Die HF-Energiequelle kann auch induktiv durch eine Kammerwand mit dem Plasma gekoppelt werden.

Das folgende Beispiel wird angeführt, um einen leicht verständlichen Gesamtüberblick über das Prinzip der vorliegenden Erfindung zu geben. Es schränkt andere Anwendungsmöglichkeiten in keinster Weise ein.

Beispiel

Ein Silizium-Wafer mit einer Siliziumdioxidschicht, die etwa 1000 Angström dick ist, befindet sich auf einer Siliziumnitridschicht, die etwa 20 nm dick ist, wobei die Siliziumnitridschicht durch eine plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung gebildet wurde, wurde in einer HF- Ätzkammer geätzt. Das Ätzgas setzte sich aus CF₄ und N₂ zusammen und hatte einen Druck von 213 Pa. Die elektrische Energie betrug 800 W. Eine Vorspannung von -550 V, die mit einer HF-Energiequelle von 13,56 MHz erreicht wurde, wurde angelegt. Die Selektivität der Oxidschicht auf der Nitridschicht betrug 3 : 1.

Zwar wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung anhand spezifischer Ausführungsbeispiele veranschaulicht und beschrieben, doch ist es nicht auf diese dargestellten Einzelheiten beschränkt. Innerhalb des Anwendungsbereichs sind vielfältige und weitreichende Abwandlungen möglich, ohne vom Grundprinzip der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (10)

1. Ein Verfahren zum Ätzen einer Oxidschicht, die sich auf einer Nitridschicht im oberen Bereich eines Substrats befindet, das eine hohe Ätzselektivität für die Oxidschicht aufweist, wobei dieses Verfahren folgendes umfasst:
Bereitstellung eines Plasmas, das von einem kohlenstoff- und fluorhaltigen Gas und von einem stickstoffhaltigen Gas abgeleitet wurde; und
Ätzen des Substrats im Plasma, welches mit dem Substrat in Verbindung ist,
wobei die Atzung SiF₄ erzeugt, und das Plasma Si_xN_y-Formen enthält, die aus einer Reaktion von SiF₄ und Stickstoffformen abgeleitet wurden, und wobei eine Ablagerung der Si_xN_y-Formen auf der Nitridschicht im wesentlichen im gleichen Maße wie die Ätzung der Nitridschicht stattfindet.

2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei als Substrat Silizium verwendet wird.

3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Oxidschicht aus der Gruppe ausgewählt wird, die sich aus Siliziumdioxid, Tetraethylorthosilikatoxid und Silanoxid zusammensetzt.

4. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei als Nitridschicht Siliziumnitrid verwendet wird.

5. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das kohlenstoff- und fluorhaltige Gas aus einer Gruppe ausgewählt wird, die sich aus CF₄, C₂F₆ oder einer Mischung dieser Verbindungen zusammensetzt.

6. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das stickstoffhaltige Gas aus einer Gruppe ausgewählt wird, die sich aus N₂, NH₃ und Mischungen dieser Verbindungen zuammensetzt.

7. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei eine Nitridschicht verwendet wird, deren Dicke unter 20 nm liegt.

8. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei:
der Ätzvorgang in einer Ätzkammer stattfindet, die mit Elektroden ausgestattet ist; und
das Verfahren außerdem einen Schritt umfasst, bei dem HF- Energie über die Elektroden kapazitativ in das Plasma eingekoppelt wird.

9. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei:
der Ätzvorgang in einer Ätzkammer stattfindet, die mit einer Kammerwand ausgestattet ist; und
das Verfahren außerdem einen Schritt umfasst, bei dem HF- Energie durch die Wand induktiv in das Plasma eingekoppelt wird.

10. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Nitridschicht auf dem Substrat durch chemische Dampfabscheidung gebildet wird.