DE19856082C1

DE19856082C1 - Verfahren zum Strukturieren einer metallhaltigen Schicht

Info

Publication number: DE19856082C1
Application number: DE19856082A
Authority: DE
Inventors: Stephan Wege; Kerstin Krahl
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1998-12-04
Publication date: 2000-07-27
Anticipated expiration: 2018-12-05
Also published as: JP2002536817A; WO2000034985A3; KR20010086078A; US20020011461A1; EP1145286A2; US6511918B2; WO2000034985A2; KR100417724B1; EP1145286A3

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Strukturieren einer metallhaltigen Schicht vorgeschlagen. Die metallhaltige Schicht (4) wird dabei unter Verwendung einer Ätzmaske (8) in einer plasmaunterstützten Ätzgasatmosphäre bei einer Temperatur oberhalb von 130 DEG C in Anwesenheit zumindest einer Halogenverbindung und zumindest eines Oxidationsmittels geätzt, wobei die Konzentration des Oxidationsmittels höher als die Konzentration der Halogenverbindung ist.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie und betrifft ein Verfahren zum Strukturieren einer metallhaltigen Schicht.

In der Halbleitertechnolgie besteht ein hoher Bedarf an Strukturierungsverfahren für eine Vielzahl von Schichten aus unterschiedlichen Materialien. So ist es beispielsweise bei der Herstellung von CMOS-Transistoren notwendig, das relativ dünne Gatedielektrikum ohne Verunreinigung benachbarter Regionen zu ätzen. Bisher wurde als Dielektrikummaterial Siliziumoxid verwendet. Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung muß jedoch das Gatedielektrikum zunehmend dünner ausgebildet werden, um die notwendige kapazitive Kopplung der Gateelektrode mit dem unter dem Gatedielektrikum befindlichen Kanalgebiet aufrechtzuerhalten. Verbunden mit der Dünnung des Gatedielektrikums ist jedoch die Gefahr eines unerwünschten elektrischen Durchbruchs sowie die Möglichkeit des Tunnelns von Elektronen. Daher wird versucht, das Siliziumoxid durch andere Materialien mit höherer Dielektriziätskonstante zu ersetzten, die infolge ihrer Dielektriziätskonstante ein größere Materialdicke bei gleichen elektrischen Eigenschaften (Kapazität) zulassen.

Weiterhin besteht auch der Wunsch bei der Herstellung von Halbleiterspeichern, die einen Kondensator zum Speichern von Ladungen verwenden (DRAM), das bisher verwendete Kondensatordielektrikum aus Siliziumoxid durch ein Material mit höherer Dielektrizitätskonstante zu ersetzten.

Als Strukturierungsverfahren werden zum Beispiel physikalische Verfahren (Sputtern) verwendet, bei denen beschleunigte Ionen auf die zu strukturierende Schicht gerichtet werden und somit diese abtragen. Problematisch bei diesen Verfahren ist die relativ geringe Selektivität zwischen der zu strukturierenden Schicht und dem verwendeten Maskenmaterial, so daß eine genaue Strukturübertragung oftmals nicht möglich ist.

Eine höhere Selektivität weisen dagegen Verfahren unter Verwendung von Ätzgasen auf. Derartige Verfahren sind zum Beispiel in der US 3,951,709, DE 27 38 839 A1, JP 07-254606 A, US 4,026,742, US 5,382,320 und der US 3,923,568 beschrieben, die sich jedoch nur teilweise für Schichten mit dielektrischem Charakter anwenden lassen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Verfahren zum einfachen Strukturieren einer metallhaltigen Schicht, insbesondere einer dielektrischen Schicht, mit hoher Selektivität anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Strukturieren einer metallhaltigen Schicht mit den Schritten:

- ein Substrat mit einer metallhaltigen Schicht wird bereitgestellt, wobei die metallhaltige Schicht aus Titan (Ti), Titanoxid (TiO_x), Tantal (Ta), Tantaloxid (Ta_xO_y) oder aus einem Gemisch dieser Metalle und Oxide besteht;
- auf die metallhaltige Schicht wird eine Ätzmaske aufgebracht und strukturiert;
- die metallhaltige Schicht wird unter Verwendung der Ätzmaske in einer plasmaunterstützten Ätzgasatmosphäre bei einer Temperatur oberhalb von 130°C in Anwesenheit zumindest einer Halogenverbindung und zumindest eines Oxidationsmittels geätzt, wobei die Konzentration des Oxidationsmittels höher als die Konzentration der Halogenverbindung ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich metallhaltige Schichten insbesondere mit einer hohen Selektivität zu Siliziumoxid und Polysilizium ätzen. Die metallhaltige Schicht kann dabei aus Titan (Ti), Tantal (Ta), Titanoxid (TiO_x), Tantaloxid (Ta_xO_y) oder aus einem Gemisch der Vorgenannten Oxide und Metalle bestehen. Es hat sich gezeigt, daß derartige metallhaltige Schichten bei Temperaturen oberhalb von 130°C mit den im Plasma entstehenden Halogenradikalen reagieren und flüchtige Verbindungen bilden. Diese können daher leicht von der metallhaltigen Schicht verdampfen. Günstig ist, die Temperatur zum Ätzen der metallhaltigen Schicht zwischen 200°C und 300°C, bevorzugt bei etwa 250°C zu wählen. Bei höheren Temperaturen können die beim Ätzen gebildeten Metallhalogene leichter verdampfen, so daß gegebenfalls sogar Temperaturen oberhalb von 300°C, beispielsweise bei 350°C, gewählt werden können. Dies ist insbesondere bei schwer flüchtigen Metallhalogenen vorteilhaft.

Bei derart hohen Temperaturen empfiehlt sich die Verwendung einer Ätzmaske aus Siliziumoxid oder Polysilizium. Um einen Angriff dieser Maskenmaterialien durch die Halogenverbindung zu vermeiden, ist der Ätzgasmischung ein relativ hoher Anteil an Oxidationsmittel zugesetzt. Durch dieses wird zumindest die freiliegende Maskenoberfläche, d. h. die Oberseite und die Seitenflanken der Ätzmaske, durch Oxidation passiviert, so daß die Halogenverbindung die Ätzmaske nur noch geringfügig angreifen kann. Die Ätzmaske ist dadurch weitestgehend passiviert. Dies trägt weiterhin auch zu einer hohen Maßhaltigkeit bei der Strukturübertragung von der Ätzmaske auf die metallhaltige Schicht bei. Als Oxidationsmittel kommt insbesondere Sauerstoff in einer Konzentration oberhalb von 50%, bevorzugt zwischen 90% und 99% in Betracht. Als Halogenverbindung werden fluorierte Kohlenstoffe oder Kohlenwasserstoffe, insbesondere CF₄, bevorzugt, deren Konzentration geringer als die Konzentration des Oxidationsmittels ist. Bevorzugt liegt die Konzentration der Halogenverbindung unterhalb von 20%, besonders bevorzugt zwischen 1% und 10%.

Der relativ hohe Anteil an Oxidationsmittel während des Ätzens kann weiterhin zu einer Oxidation der metallhaltigen Schicht führen, die dadurch für die Halogenverbindung leichter angreifbar ist. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahren ist sogar ein Ätzen von Edelmetallen bzw. von Metalloxidschichten, die zum Teil in polykristalliner Form vorliegen, möglich.

Anwendung findet dieses Verfahren bevorzugt bei der Herstellung von Transistoren und von Speicherzellen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben und in einer Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 einzelne Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zunächst wird ein Substrat 2 bereitgestellt, auf dem eine metallhaltige Schicht 4 und eine weitere Schicht 6 zur Bildung einer Ätzmaske 8 angeordnet sind. Sofern das Verfahren zur Herstellung eines Transistors verwendet wird, besteht das Substrat 2 bevorzugt aus einem Siliziumsubstrat, in dem bereits hier nicht näher dargestellte Dotierungsgebiete geschaffen wurden. In diesem Fall dient die metallhaltige Schicht 4 zur Bildung des Gatedielektrikums des Transistors. Wird dagegen dieses Verfahren bei der Herstellung einer Halbleiterspeichereinrichtung verwendet, kann das Substrat auch aus einem isolierenden Dielektrikum, z. B. Siliziumoxid, bestehen.

Die metallhaltige Schicht 4 besteht in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel aus Titan bzw. Titanoxid (TiO_x). Als weitere Schicht 6 wird eine Schicht aus Polysilizium oder aus einem Lackmaterial verwendet, das relativ temperaturstabil und nur geringfügig oxiderbar ist.

Zunächst wird die weitere Schicht geeignet strukturiert, was bei einer Lackschicht unmittelbar fotolithografisch und bei einer Polysiliziumschicht mittelbar unter Zuhilfenahme einer fotolithografisch strukturierbaren Schicht erfolgt. Dadurch entsteht die in Fig. 2 dargestellte Struktur mit Ätzmaske 8 auf der metallhaltigen Schicht 4.

Nachfolgend wird ein Ätzgasgemisch aus CF₄ und Sauerstoff (O₂) zum Trockenätzen der metallhaltigen Schicht 4 bereitgestellt. Dieses erfolgt in einem Plasmareaktor. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde ein Ätzreaktor zum weitestgehend isotropen Ätzen verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch als anisotropes Ätzverfahren ausgelegt sein. Trotz des hier beschriebenen isotropen Ätzens ist eine gute Strukturübertragung von der Ätzmaske 8 auf die metallhaltige Schicht 4 möglich, da einerseits die Ätzmaske 8 beim Ätzen passiviert und damit relativ wenig angegriffen wird, und andererseits bei relativ dünnen metallhaltigen Schichten 4 nur ein geringes Unterätzen der Ätzmaske 8 möglich ist. Bedarfsweise kann der Ätzvorgang auch mit einer physikalischen Ätzkomponente unterstützt werden. In diesem Fall werden Ionen in Richtung auf die metallhaltige Schicht beschleunigt, die damit nur zu einem Abtragen dieser Schicht in den nicht von der Ätzmaske 8 bedeckten Bereiche beitragen.

Das Substrat 2 mit der metallhaltigen Schicht 4 wird auf eine Temperatur zwischen 230°C und 270°C, bevorzugt auf 250°C, im Ätzreaktor erwärmt. Günstig ist weiterhin, den gesamten Prozeßraum auf diese Temperatur zu bringen, um etwaige störende Temperaturgradienten zu vermeiden. Anschließend wird das Ätzgasgemisch in den Ätzreaktor eingeleitet und mittels einer induktiven Hochfrequenz-Einkopplung zur Bildung eines Plasmas angeregt. Die Plasmaanregung kann auch durch Mikrowellenanregung erfolgen.

Durch die Plasmaanregung wird die Halogenverbindung, in diesem Fall CF₄, unter Bildung von Halogenradikalen (Fluorradikale) zersetzt. Diese Radikale können dann die metallhaltige Schicht 4 angreifen und dabei Metallhalogenide bilden. Sofern die metallhaltige Schicht 4 aus Titan besteht, bildet sich zum Beispiel TiF_x.

Durch den hohen Sauerstoffanteil im Ätzgasgemisch wird jedoch das Titan in der metallhaltigen Schicht 4 zumindest teilweise zu Titanoxid (TiO_x) oxidiert. Sofern die metallhaltige Schicht 4 nahezu vollständig aus Titanoxid besteht, reagiert das Titanoxid unmittelbar mit dem Fluorradikalen zu TiF_x. Der Sauerstoff reagiert dabei teilweise mit dem Kohlenstoff zu CO_x.

Der hohe Sauerstoffanteil, der bevorzugt oberhalb von 90% liegt, führt darüber hinaus auch zu einer Passivierung der Ätzmaske 8. Insbesondere bei Verwendung von Polysilizium als Maskenmaterial wird die Oberfläche der Ätzmaske 8 oxidiert und kann daher dem Angriff der Fluorradikale deutlich länger widerstehen. Günstig wirkt sich hierbei aus, daß CF₄ in relativ geringer Konzentration, d. h. zwischen 1% und 10%, vorliegt und daher nicht zu einem starken Ätzangriff führt. Günstige Mischungsverhältnisse zwischen CF₄ und O₂ liegen zwischen 1 : 99 und 20 : 80. Die durch den Sauerstoff gebildete Passivierungsschicht 10 ist in Fig. 3 dargestellt. Obwohl trotz der relativ starken Verdünnung der Halogenverbindung die Ätzmaske durch den Radikalenangriff teilweise abgetragen werden kann, baut sich durch die Anwesenheit von Sauerstoff stets eine neue Passivierungsschicht 8 auf, die der Abtragung entgegenwirkt. Dadurch wird das Abätzen von Polysilizium als Ätzmaskenmaterial deutlich verlangsamt, wodurch eine hohe Selektivität zwischen Polysilizium und der metallhaltigen Schicht erreicht wird.

Der Grund für den relativ geringen Abtrag von Polysilizium als Ätzmaske durch die Fluorradikale wird in der relativ hohen Bindungsenergie von SiO_x bzw. SiO₂ vermutet. Deren Bindungsenergie ist zu hoch, um durch den geringen Fluoranteil signifikant geätzt zu werden. Im Gegensatz dazu dürfte die Bindungsenergie von TiO_x deutlich geringer sein, um den Fluorangriff zu widerstehen. Daher ist es günstig, die Titanschicht zu oxidieren.

Sofern zur Ätzunterstützung zusätzlich Ionen auf die metallhaltige Schicht 4 beschleunigt werden, trägt die Passivierung der Ätzmaske 8 ebenfalls zu deren hoher Widerstandsfähigkeit bei. Die teilweise abgetragene Passivierungsschicht 10 wird dabei ständig erneuert. Durch die beschleunigten Ionen weist das Strukturierungsverfahren eine zusätzliche physikalische Ätzkomponente auf, die zu einer stärkeren Anisotropie führt. Die Ionen können entweder gleichzeitig die gebildeten Fluorradikale sein, oder durch zusätzliche Ionen, beispielsweise aus einem Argongas, gebildet werden.

Claims

1. Verfahren zum Strukturieren einer metallhaltigen Schicht mit den Schritten:

- ein Substrat (2) mit einer metallhaltigen Schicht (4) wird bereitgestellt, wobei die metallhaltige Schicht (4) aus Titan (Ti), Titanoxid (TiO_x), Tantal (Ta), Tantaloxid (Ta_xO_y) oder aus einem Gemisch dieser Metalle und Oxide besteht;
- auf die metallhaltige Schicht (4) wird eine Ätzmaske (8) aufgebracht und strukturiert;
- die metallhaltige Schicht (4) wird unter Verwendung der Ätzmaske (8) in einer plasmaunterstützten Ätzgasatmosphäre bei einer Temperatur oberhalb von 130°C in Anwesenheit zumindest einer Halogenverbindung und zumindest eines Oxidationsmittels geätzt, wobei die Konzentration des Oxidationsmittels höher als die Konzentration der Halogenverbindung gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halogenverbindung ein fluorierter Kohlenstoff oder fluorierter Kohlenwasserstoff verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als fluorierter Kohlenstoff CF₄ verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur während des Ätzens oberhalb von 200°C, bevorzugt bei 250°C liegt.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halogenverbindung in einer Volumenkonzentration zwischen 1% und 10% und das Oxidationsmittel in einer Volumenkonzentration zwischen 90% und 99% liegt.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzmaske (8) aus einem Material besteht, das durch Reaktion mit dem Oxidationsmittel weitestgehend gegenüber der Halogenverbindung passivierbar ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzmaske (8) aus Siliziumoxid (SiO_x) oder Polysilizium besteht.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidationsmittel Sauerstoff verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterstützend zum Ätzen der metallhaltigen Schicht (4) zusätzlich ein physikalischer Abtrag mit Ionen verwendet wird.