DE2658448A1

DE2658448A1 - Verfahren zum selektiven gasaetzen einer siliciumnitridschicht

Info

Publication number: DE2658448A1
Application number: DE19762658448
Authority: DE
Inventors: Klaus Paschke; Peter Rahden
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1976-12-23
Filing date: 1976-12-23
Publication date: 1978-06-29
Also published as: IT1088562B; GB1543299A; US4174251A; JPS5379800A; DE2658448B2; ES465379A1; DE2658448C3; FR2375339B1; JPS6211494B2; FR2375339A1

Description

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Deutsche ITT Industries GmbH K.Paschke -2

78 Freiburg, Ilans-Eunte-Str. 19 Pat. Dr. Rl/)?e

λ 15. Dezember 1976

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

FREIBURG

Verfahren gum selektiven Gasätzen einer Siliciumnitridschicht

Die Bedeutung von Siliciumnitridschichten für Halbleiterbauelemente ist hinreichend bekannt, sie werden zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt, so z. B. zur Maskierung, zur Oberflächenpassivierung, zur Isolation oder zur Herstellung von Planarstrukturen. Werden Siliciumnitridschichten bei der Herstellung bestimmter Str-uV.turen eingesetzt, so ist es erforderlich, aus ganzflächig aufgebrachten Schichten bestimmte Bereiche zu entfernen, um damit das Halbleitermaterial z. B. zur Planardiffusion oder zur Kontaktierung freizulegen. Dies erforderte jedoch neue Ätztechniken, da einerseits Silicium·- nitridschichten in gepufferter F.lußsäure ausnehmend längs Ätzzeiten benötigen und die Photolackschichten der Masken dadurch Schaden erleiden, und andererseits die Ätzzeiten in konzentrierter Flußsäure zwar kurz sind, aber die konzentrierte Säure das Material der Photolackschichten verstört. Ein weiterer Gefehren-

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punkt ist das Unterätzen der Siliciumnitridr.chichten, wenn diese auf Siliciumdjoxxdschichten abgeschieden sind.

Eine Möglichkeit zur Lösung dieser Probleme besteht in der Verwendung von heißer Phosphorsäure, wie es in der Zeitschrift "Journal of the Electrochemical Society", 1967, Seiten 869 bis 872 beschrieben wird. Als Ätzmaske wird dabei Si(3» verwendet. Es liegt auf der Hand, daß dieses Verfahren aufwendig und umständlich ist, auch ist die Handhabung von kochender Phosphorsäure nicht unproblematisch.

In jüngerer Zeit wurde eine neue Ätztechnik in die Technologie eingeführt, nämlich die sogenannte Trockenätztechnik. Man versteht darunter das Gasätzen einer Siliciumnitridschicht in einew durch Kochfrequenz-Glimmentladung angeregten Plasma, wobei der Vorteil neben hohen Ätzraten darin besteht, daß als ÄtzruaskieriuiQ eine Photolackschicht verwendet werden kann. Nach der US-PS 3 795 557 wird dabei z. B. Kohlenstofftetrafluorid für sich oder unter Zusatz von Sauerstoff als Gasatmosphäre benutzt, in der die Siliciumnitridschicht geätzt wird. Kommen die bisher bekannten Gasmischungen zur Verwendung, so ist eine direkte Ätzung der Siliciumnitridschicht ohne Schutz der darunterliegenden Siliciumoberflache des Halbleiterkörpers nicht möglich, da der Unterschied der Ätzraten des Siliciuninitrides zu der des Siliciums in Abhängigkeit von der Art der Gasmischung bei etwa 1 : 3 liegt und somit auch das Silicium angeätzt wird. Man hat versucht, dies dadurch zu umgehen, daß eine Siliciumdioxid-Zwischenschicht auf der Halbleiteroberfläche zur Begrenzung der Ätzwirkung des Gasgemisches aufgebracht wurde. Diese Maßnahme stellt einen zusätzlichen Verfahrensschr.i.tt dar und trägt damit nicht zur Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bei.

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Um diesen Nachteil zu beseitigen, schlägt die Patentanmeldung P 26 14 977.9 vor, mit Perfluorpropan als Fluorkohlenstoffververbindung und Zusatz . einer bestimmten Menge Sauerstoff und unter Einstellung eines bestimmten Druckes in der Gasmischung die Ätzung der Siliciumnitridschicht in der Reaktionskammer einer Hochfrequenzglimmentladung bei einer Leistung von 200 bis 800 VJ durchzuführen. Perf luorpropan (C₃Fg) ist jedoch schwierig zu beschaffen, was sich auch in seinem hohen Preis niederschlägt, außerdem sind die Ätzraten für Siliciumnitrid bei der Verwendung von C₀F₀ relativ niedrig.

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Als billig zu beschaffendes Fluorid des Kohlenstoffes bietet sich das eingangs genannte Kohlenstofftetrafluorid an. Damit treten aber wiederum die oben im Zusammenhang mit dieser Sub-τ stanz genannte Nachteile auf.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches bei Verwendung von Kohlenstofftetrafluorid eine selektive Ätzung von auf einem Halbleiterkörper aus Silicium aufgebrachten Siliciumnitridschichten ohne Angriff auf das Silicium ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch die im anliegenden Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Die Erfindung betrifft demnach ein Verfahren zum Gasätzen einer auf einem Halbleiterkörper aus Silicium aufgebrachten Schicht aus Siliciumnitrid in einem Plasma, das durch Hochfrequenzglimmentladung in einer Gasatmosphäre aus Kohlenstofftetrafluorid und Sauerstoff erzeugt wird.

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Die Erfindung zeigt, daß bei einer Erhöhung des Sauerstoffanteils in einer CF./O₃-Mischung von 5 auf 50 Vol.% die Ätzrate für Siliciumnitrid auf das Fünffache ansteigt und das Ätzratenverhältnis von Silicium zu Si-N. von 10 : 1 auf 1 : 6 verändert. Man erhält damit also eine hohe Ätzrate für Siliciumnitrid und gleichzeitig ausreichende unterschiedliche Ätzraten zwischen Silicium und Siliciumnitrid, die eine selektive Ätzung des letzteren gewährleisten. _ ·

Ein Problem bildet jedoch der hohe Sauerstoffanteil von ca. 50 Vol.% im Ätzgas, da er eine schnelle Zersetzung der als Ätzmaske verwendeten Photolackschicht verursacht.

Diese Gefahr läßt sich jedoch durch ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, nämlich die Durchführung des Ätzverganges in zwei Stufen, beseitigen. Es wird dabei so vorgegangen, daß zunächst eine Vorätzung durchgeführt wird, wobei das Kohlenstofftetrafluorid mit 0-6 Vol. % Sauerstoff, vorzugsweise mit 5 Vol.% Sauerstoff gemischt wird. Dadurch wird am Anfang des Ätzvorganges ein zu hoher Sauei^-stof fanteil vermieden, der bei einem 50 : 50 Verhältnis zudem noch dadurch verstärkt würde, daß beim Prozeßbeginn aus dem Ätzgas besonders viel Kohlenstofftetrafluorid entnommen wird. Der Vorätzung schließt sich dann der eigentliche Ätzprozeß an, bei dem das Kohlenstofftetrafluorid mit 50 Vol.% Sauerstoff vermischt ist.

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 eine scheiaatische Ansicht der Vorrichtung zur Durchführung des Ätzverfahrens und

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Fig. 2 ein Übersichtsdiagramm , in dem die Zusammensetzung der Gasmischung gegen die Zeit aufgetragen ist.

Das Verfahren nach der Erfindung benutzt die in der Patentanmeldung P 26 14 977.9 beschriebene Reaktionskammer, wie sie Fig. 1 zeigt. Dabei wird nach Abnahme des Deckels 10 die mit der Ätzmaskierungsschicht versehene Halbleiterplatte, auf der eine SiIiciumnitridschicht aufgebracht wurde, in die Reaktionskammer eingegeben. Bei der praktischen Durchführung wird für gewöhnlich nicht eine der einzelnen Halbleiterplatten geätzt, sondern eine ganze Reihe, die auf einen Glasträger aufgestellt sind. Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, das Glasgestell mit den Halbleiterplatten noch mit einem perforierten Ätztunnel aus Aluminium zu umgeben. Die Reaktionskammer 1 wird nach Schließen des Deckels 10 evakuiert und anschließend durch Öffnen des Ventils 12 die Gasmischung im bereits eingestellten Mischungsverhältnis über die Rohrleitungen 7, 8, 9 in die Reaktionskammer geleitet über die mit Durchflußmessern ausgestatteten Rohrleitungen kann auch ein Schutz- oder Spülgas zugeführt werden. An dem Auslaß 11 wird mittels einer Vakuumpumpe und einem Drosselventil der Druck in der Reaktionskammer 1 auf 0,5 bis 1,5 Torr vorzugsweise 1,1 Torr eingestellt. Über elektrische Zuleitungen wird dann kapazitiv oder induktiv von außen eine im Hochfrequenzgenerator 2 erzeugte Hochfrequenzenergie an die Elektroden 5 und 6 angelegt und damit das Plasma erzeugt. Die Elektroden können die Form von Platten aufweisen, vorzugsweise sind sie jedoch so ausgebildet, daß sie tunnelartig den Innenraum der Kammer umgeben, in dem der Ätz tunnel mit den zu ätzenden Platten eingebracht wird. Die angelegte Leistung beträgt bei der Vorätzung 300 bis 800 W, vorzugsweise 600 W, und bei der Hauptätzung 100 bis 400 W, vorzugsweise 300 W.

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Typische Ätzbedingungen für eine Siliciumnitridschicht, die durch chemische Abscheidung aus der Gasphase hergestellt wurde und eine Stärke von ca. 1200 A* besitzt, sind:

Ätzzeit Ätzgas Kammerdruck Hf-Leistung Vorätzung: p,2 ' CF₄+5 Vol% O₂ 1,1 Torr 600 W Hauptätzung: 1,5' CF.+50 Vol% O₂ 1,1 Torr 300 W.

Die Ätzrate für Siliciumnitrid beträgt dabei 1100 A/min, gegenüber 100 bis 600 S/min, bei dem Verfahren nach der Patentanmeldung P 26 14 977.9.

Das Übersichtsdiagramm nach Fig. 2 zeigt die Gasverteilung während der Vorätzung und Hauptätzung. Würde man sofort iait der Hauptätzung beginnen, d. h. mit einer Gasmischung CF. zu O₂ von 50 : 50, so würde der an sich schon hohe Gehalt an Sauerstoff, wie bereits oben erwähnt, durch den anfänglich erhöhten Verbrauch an CF. noch vergrößert. Dies wird nach der Erfindung durch eine Vorätzung umgangen, bei der das Verhältnis CF. : 0_? gleich 95 : 5 beträgt. Ein anfänglich erhöhter Verbrauch von CF. macht sich bei derartigen Konzentrationsverhältnissen nicht so stark bemerkbar. Durch die Verätzung werden ca. 50 % der abzutragenden Siliciumnitridschicht entfernt. Geht man nun zur Hauptätzung über, so tritt bei den im Gemisch vorliegenden Gaskonzentrationen kein abrupter Übergang ein, sondern es erfolgt ein allmähliches Absinken und Einstellen auf das 1 : 1 Verhältnis von CF. : 0„, wie es die in Fig. 2 gezeigte Kurve veranschaulicht, da zunächst von der Vorätzung her ein höherer Anteil CF. in dem Gasraum vorhanden ist. Auf diese Weise wird eine Zerstörung der Photolackschicht vermieden und gleichzeitig lassen sich annehmbare Ätzgeschwindigkeiten erzielen.

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Claims

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ΡΑΊΈΝΤΑΝSPRÜCHE

Verfahren zum Gasätzen einer auf einem Halbleiterkörper aufgebrachten Schicht aus Siliciumnitrid in einem Plasma, das durch Hochfrequenzglimmentladung einer Fluorkohlen-wasserstoff und 0-, enthaltenden Gas atmosphäre erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre aus Kohlenstofftetrafluorid und Sauerstoff gebildet wird und der Ätz Vorgang in. zwei Stufen erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Stufen des Ätzvorganges aus einer Vorätzung und einer Hauptätzung bestehen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Vorätzung dem Kohlenstofftetrafluorid 0-6 Vol.% Sauerstoff und bei der Hauptätzung 50'Vol.% Sauerstoff zugemischt wird.
4. Verfahren nach den obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Stzkammer auf o,5 — 1,5 Torr eingestellt wird und bei der Vorätzung eine Hochfrequenzleistung von 300 - 800 W und bei der Haupätzung 100 - 400 W angelegt wird.

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