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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Für die Herstellung
von Halbleiterbauelementen wird für viele Prozessschritte ein Ätzschritt (z.B.
Trockenätzschritt,
Nassätzschritt)
verwendet. Dabei erfolgt die Ätzung
eines Materials auf Grund von Atomen bzw. Molekülen aus einem Gas und/oder durch
Beschuss der zu ätzenden
Materialoberfläche mit
Ionen (wie z.B. beim RIE Reactive Ion Etching).
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Die Ätzrate der
Trockenätzprozessschritte
ist dabei in der Regel eine Funktion des Materials und der gewählten Prozessparameter
(z.B. Ionenspezies, Druck, Leistung, Form und Stärke des Feldes etc.). Die Profilbildung
wird dabei im Wesentlichen über
die Prozessparameter oder die Maske bestimmt.
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Da
die zu ätzenden
Strukturen im Material immer kleiner und tiefer werden (d.h. die
aspect ratio wird immer größer), kann
das Ätzmedium
nicht überall
effektiv ätzen;
d.h. die Ätzrate
wird limitiert. Das Beeinflussen der Ätzrate durch die Prozessparameter
bzw. der Anlagen stößt an Grenzen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zu schaffen, bei dem die Ätzrate
besser beeinflusst werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Zunächst wird
mindestens ein Teilbereich eines Materials gezielt mit Ionen implantiert
und anschließend
oder in einem späteren
Verfahrensschritt ein Ätzschritt
ausgeführt,
wobei die Ätzrate
dieses Verfahrensschritts durch die implantierten Ionen gezielt
verändert
wird. Durch die Ionenimplantation lassen sich Eigenschaften des
Materials gezielt beeinflussen, so dass die nachfolgende Ätzung effizienter ausgeführt werden
kann. Die Ätzung
kann dabei vorteilhafterweise als Trockenätzung oder Nassätzung ausgebildet
sein.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn durch die Implantation der Ionen in mindestens
einem Teilbereich des Materials ein Depot der Atome oder Moleküle angelegt
wird, so dass dieselben als Reaktand oder Inhibitor für den nachfolgenden
Trockenätzschritt
zur Verfügung
steht. Das Depot dient dabei z.B. als Speicher für Reaktanden oder Inhibitoren
an Stellen, die ansonsten für
reaktive Ätzmedien
schwer zugänglich sind.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn durch die Implantation der Ionen in dem
mindestens einen Teilbereich des Materials die kristalline Struktur
des Materials zur Beeinflussung der Ätzrate gezielt geändert wird.
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Ein
vorteilhaftes Vorgehen zur Implantation ist, wenn die räumliche
Anordnung der implantierten Ionen, insbesondere in Form eines Depots
im Material durch den Implantationswinkel gezielt gesteuert wird. Über die
Wahl des Implantationswinkels können auch
schwer zugängliche
Bereiche, z.B. Wandungen eines Trenches, für die Ionenimplantation erreicht werden.
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Wenn
die zu implantierende Geometrie komplex ist, z.B. eine Vertiefung
aufweist, ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Material und der
Implantationsquelle eine rotatorische Relativbewegung erzeugt wird,
so dass insbesondere auch in vertikalen Bereichen (z.B. Wandungen)
des Materials eine Implantation ausgeführt werden kann.
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Auch
ist es vorteilhaft, wenn die Implantationstiefe der Ionen im Material
und/oder die Form des implantierten Teilbereichs durch die Einstellung
der Implantationsenergie gezielt gesteuert wird. Ein möglicher
Wert für
die Implantationsenergie ist z.B. 2 keV. Es können aber auch höhere Werte
(z.B. 30 keV) verwendet werden.
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Dabei
kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die Ausdehnung und/oder
Form des implantierten Teilbereiches im Material durch eine Zeitsteuerung
der Ionenimplantation, einer Steuerung der Ionenstromdichte und/oder
einer Steuerung der Ionenenergie gesteuert wird. Wenn ein gewünschtes
Implantationsprofil im Material bekannt ist, so kann vorteilhafterweise
die Zeitsteuerung der Ionenimplantation, die Steuerung der Ionenstromdichte
und/oder die Steuerung der Ionenenergie in Abhängigkeit von diesem vorab gewählten Konzentrationsprofils
im Teilbereich erfolgen. Das Diffusionsverhalten einer Ionenspezies
in einem Material ist bekannt, so dass über eine Temperatur- und/oder
Zeitsteuerung, z.B. festgelegt werden kann, wie viel Ionen implantiert werden
und welche Bereiche dabei eine bestimmte Konzentration erreichen.
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Da
Diffusionsprozesse temperaturabhängig sind,
ist es vorteilhaft, wenn die Implantation der Ionen durch eine gezielte
Temperierung des Materials gesteuert wird.
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Auch
ist es vorteilhaft, wenn die Implantation durch eine geeignete Maske,
insbesondere Resistmaske gezielt gesteuert wird.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden Ionen mindestens
teilweise am Grund einer Vertiefung, insbesondere eines Deep Trench implantiert.
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Auch
ist es vorteilhaft, wenn die Ionen mindestens teilweise in einer
Wandung einer Vertiefung im Material, insbesondere eines Deep Trench
implantiert werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die
Implantation in der Wandung durch eine Implantation unter einem
Implantationswinkel α größer gleich 0° gemessen
zur Vertikalen zum Material erfolgt. Auch ist es vorteilhaft, wenn
die Implantation in der Wandung durch eine Rotation des Materials und/oder
Rotation der Ionenquelle an mehreren Stellen der Vertiefung erfolgt.
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Mit
Vorteil werden als implantierte Ionen Stickstoffionen, Sauerstoffionen
und/oder Halogenionen, insbesondere Fluorionen oder Chlorionen,
verwendet. Dabei ist eine Implantation mit Sauerstoff- und/oder
Stickstoffionen für
die Erzeugung einer Ätzstoppschicht
besonders geeignet. Die Implantation mit Fluor- und/oder Chlorionen
ist für
eine Depotbildung geeignet.
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Ein
vorteilhafter Verwendungszweck des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, wenn das
Material Silizium eines Substrates für die Herstellung von DRAM-Chips
oder Logikchips ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der
Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1A,
B als erstes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Verfahrens
eine Implantierung einer Ätzstoppschicht;
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2A,
B, C als zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
eine Reaktandenimplantation;
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3A,
B, C als drittes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Verfahrens
eine Reaktanden-/Inhibitorenimplantation;
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4A,
B als viertes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Verfahrens
eine Reaktandenimplantation mit Konzentrationsprofil.
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In 1A ist
als erster Prozessschritt die Implantierung eines Materials 10 mit
Ionen 2 dargestellt. Die Ionenimplantation wird hier mit
Stickstoff durchgeführt,
der das Material 10, hier Silizium, durchdringt und sich
in Abhängigkeit
von der kinetischen Energie der Ionen 2 in einem Teilbereich 1 des
Materials einlagert. Je nach der kinetischen Energie der Ionen 2, bestimmt
sich die Tiefe der Einlagerung. Der Implantationswinkel α ist hier
0°, da die
Implantation senkrecht zum Material 10 erfolgt.
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Im
vorliegenden Beispiel ist über
dem Material 10 keine Maske angeordnet, so dass die Ionen 2 über die
gesamte Oberfläche
implantiert werden. Die kinetische Energie der Ionen 2 bestimmt
die Tiefe (d.h. die Reichweite der Ionen im Material), in der sich
eine Schicht ausbildet.
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In
nachfolgenden Verfahrensschritten, die hier nicht im Einzelnen dargestellt
sind, wird u.a. eine weitere Schicht 11 auf das Material
aufgebracht (siehe 1B), die dann mit einem Trockenätzschritt (hier
mittels RIE) strukturiert wird. Dabei werden Vertiefungen 12 geätzt. Grundsätzlich kann
die Ätzung aber
auch mit einem nasschemischen Ätzschritt
erfolgen.
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Die Ätzung der
Vertiefungen 12 wird an dem Teilbereich 1 mit
den implantierten Ionen 2 gestoppt, da die vorherige Implantation
das Material 10 hier so geändert hat, dass die Ätzung selektiv
gegenüber diesem
Teilbereich 1 ist.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird gezielt eine Ätzstoppschicht
erzeugt, ohne dass dafür
eine besondere Schicht auf einem Substrat abgeschieden werden muss.
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In 2A,
B, C wird eine zweite Ausführungsform
dargestellt, bei der die gezielte Veränderung des Materials 10 mittels
Ionenimplantation eine andere Wirkung hat.
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In 2A ist
als Ausgangssituation ein Material 10 (hier wieder Silizium)
mit zwei Vertiefungen 5 dargestellt. Die Vertiefungen 5 waren
in einem vorhergehenden ersten Ätzschritt
mittels der Maskenschicht 13 hergestellt worden. Die Aspect
Ratio der Vertiefung ist hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht maßstabsgerecht
eingezeichnet. Üblicherweise ist
die Aspect Ratio größer 10.
Der erste Ätzschritt wird
solange ausgeführt,
bis die Ätzrate
einen sinnvollen Fortschritt in der Tiefe der Vertiefung erlaubt. Zur
Verbesserung des Ätzfortschritts
wird dann Gebrauch von der zweiten Ausführungsform der Erfindung gemacht.
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In 2B wird
eine Implantation mittels Ionen 2 unter einem Implantationswinkel α = 0° ausgeführt. Hier
werden Halogenionen, insbesondere Fluor- oder Chlorionen verwendet.
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Die
Ionen 2 lagern sich in der Maskenschicht 13 nicht
ein, wohl aber am Grund 7 der Vertiefung 5. Es
bildet sich ein Depot 3 von Atomen oder Molekülen in diesem
Teilbereich des Materials 10 aus.
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Anstelle
einer durchgehenden Schicht wie im ersten Ausführungsbeispiel, wird hier eine
lokale Anreicherung der Ionen 2 am Grund 7 der
Vertiefung 5 erreicht.
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Nach
der erfolgten Anreicherung wird die Ätzung mit einem zweiten Trockenätzschritt
fortgesetzt. Die Atome oder Moleküle im Depot 3 werden
dabei freigelegt und stehen als Reaktanden im Grund der Vertiefung
bei der Ätzung
zur Verfügung,
in 2C durch die Anreicherung 8 in der Vertiefung 5 dargestellt.
Mit diesen zusätzlich
zu Verfügung
gestellten Reaktanden ist eine gleichmäßigere Ätzung möglich.
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Der
erste und der zweite Trockensätzschritt können, müssen aber
nicht mit dem gleichen Verfahren ausgeführt werden.
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In 3A,
B, C wird eine dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben. Ähnlich
wie in der Ausgangsituation gemäß 2A wird
auch hier mittels einer Maskenschicht 13 eine Vertiefung 5 in
einem Material 10 erzeugt. Allerdings wird hier der erste Ätzschritt
in Form einer Nassätzung
ausgeführt.
Dabei hat sich eine Unterätzung
der Maskenschicht 13 gebildet.
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Die
unterätzte
Vertiefung 5 soll erweitert werden, so dass die Wandungen 6 der
Vertiefungen 5 behandelt werden müssen. Dazu wird unter einem Implantationswinkel α = 30° eine Ionenimplantation durchgeführt. Mit
einer schrägen
Implantation wäre aber
nur eine Wandung 6 der Vertiefung 5 der Implantation
ausgesetzt. Für
eine gleichmäßige Implantation
wird das Substrat gedreht und/oder verschwenkt, was durch die Pfeile
angedeutet ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Implantationsquelle
in Rotation versetzt werden.
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Damit überstreicht
die Implantationstrahlung die Wandungen 6 der Vertiefungen 5.
Der Implantationswinkel α ist
so gewählt,
dass auch im Grund 7 der Vertiefung eine hinreichende Implantation
erfolgt.
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Am
Ende der Implantation hat sich an den Wandungen 6 und am
Grund 7 der Vertiefung 5 ein Teilbereich 3 im
Material 10 herausgebildet, in dem die implantierten Ionen 2 das
Material 10 gezielt verändert
haben, so dass eine nachfolgende Trockenätzung (siehe 3C)
hier gezielt eine Aufweitung der Vertiefung 5 vornehmen
kann.
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Grundsätzlich kann
die Ätzung
auch schräg und
mit einem rotierenden Tisch für
das Material ausgeführt
werden.
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In 4A und
B wird dargestellt, das die Form des implantierten Teilbereichs 3 sich
gezielt durch eine Einstellung der Ionenstromdichte (Implantierstärke ID) steuern lässt.
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Üblicherweise
unterliegt die Ausbreitung der Ionen im Material 10 dem
Fickschen Gesetz, d.h. das sich ausbildenden Konzentrationsprofil
bei konstanter Implantationsenergie ist im eindimensionalen und idealisierten
Fall (wie in 4B in x-Richtung dargestellt)
eine Error-Funktion. In einkristallinen Materialien, z.B. Silizium,
gibt es aber Vorzugsrichtungen für die
Diffusion (Channeling). Die Implantation kann dadurch verbessert
werden, indem eine Streuschicht, z.B. aus Oxid auf der Oberfläche des
Materials 10 aufgebracht wird.
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Da
diese Ausbreitung bekannt ist, kann im Umkehrschluss die Implantationsenergie
so gesteuert werden, dass sich z.B. ein konstantes Konzentrationsprofil
(siehe blockförmigen
Teilbereich in 4B) im Material 10 ausbildet.
Dazu wird die Implantierungsenergie zu Beginn hoch sein, dann aber langsam
abfallen. Grundsätzlich
sind durch Steuerung der Implantierungsenergie auch andere Profile denkbar.
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Die
Dotandenkonzentration CD (d.h. die Konzentration
der implantierten Ionen) kann proportional zu der Änderung
der gewünschten Ätzreaktandenkonzentration
Cr gewählt
werden, um beim nachfolgenden Trockenätzschritt eine gewünschte Wirkung zu
entfalten.
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Diese
Betrachtung setzt voraus, dass die Temperatur während der Implantierung (auch
während
der Diffusion) konstant ist. Da die Diffusion auch temperaturabhängig ist,
kann eine Temperaturführung,
alternativ oder neben der zeitabhängigen Steuerung der kinetischen
Energie der Implantierung, eingesetzt werden. Eine höhere Temperatur
würde die Diffusion
eher begünstigen,
eine Abkühlung
eher verhindern.
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Die
Zusammenhänge,
die hier im Zusammenhang mit 4A und 4B beschrieben
wurden, sind natürlich
auch bei den anderen Ausführungsformen
allein oder in Kombination anwendbar.
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Die
Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen
Gebrauch machen.
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- 1
- Teilbereich
eines Materials, z.B. in einem Substrat
- 2
- Ionen
für Implantierung
- 3
- Depot
der Ionen
- 5
- Vertiefung
(Deep Trench)
- 6
- Wandung
- 7
- Grund
der Vertiefung
- 8
- Anreicherung
der Ionen in der Vertiefung
- 10
- Material
- 11
- weitere
abgeschiedene Schicht
- 12
- Vertiefung
- 13
- Maskenschicht
- α
- Implantationswinkel