DE69229195T2 - Verfahren zum reaktiven Ionenätzen - Google Patents

Verfahren zum reaktiven Ionenätzen

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Description

    Verfahren zum reaktiven Ionenätzen
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein reaktives Ionenätzverfahren, das für die Vorbereitung von Halbleitervorrichtungen verwendet wird. Das heißt, sie bezieht sich auf ein Verfahren zum anisotropen Ätzen eines Grabens in einem Substrat aus Silizium mit hoher Genauigkeit durch Niedertemperaturätzen ohne Verwenden eines Chlorfluorkohlenstoff- (CFC-)Gases.
  • Zusammen mit der jüngsten Tendenz zur Großintegration und zu hohem Betriebsverhalten von Halbleitervorrichtungen, wie beispielsweise VLSIs oder ULSIs, ist ein starker Bedarf für eine Technologie zum Ätzen einer Schicht aus einem auf Silizium beruhenden Material, wie beispielsweise einkristallinem Silizium, Polysilizium, feuerfestem Metallsilizid oder Polycid derart entstanden, daß die Anforderungen, wie beispielsweise hohe Anisotropie, hohe Ätzrate oder hohe Selektivität, auf großem Niveau erfüllt werden.
  • Typisch bei Ätzprozessen für einkristallines Silizium ist ein Grabenätzen zur Isolation von klein bemessenen Bauelementen oder zur Schaffung eines Zellkapazitätsraumes. Obwohl ein anisotropes Verarbeiten mit einem hohen Geometrieverhältnis-Muster bei diesem Prozeß erforderlich ist, neigt die Querschnittsgestalt des Grabens zu einer komplizierten Änderung aufgrund von Schwankungen in Maskenmustern oder Ätzbedingungen, so daß ungewöhnliche Gestalten, wie beispielsweise Unterschneidungen oder Verbiegungen häufig auftreten, was Schwierigkeiten beim Grabenfüllen oder einer Kapazitätssteuerung hervorruft, die in folgenden Schritten vorgenommen werden.
  • Typisch für Ätzprozesse für Polysilizium, feuerfeste oder hochschmelzende Metallsilizide oder Polycide ist andererseits ein Gateverarbeiten. Da die Musterbreite in der Gateelektrode direkt die Seitenwandabmessungsgenauigkeit in einer LDD-Struktur oder eine Kanallänge eines Transistors, in welchem der Source-Drain-Bereich in einer selbstjustierten Weise gebildet ist, beeinträchtigt, ist das Gateverarbeiten hinsichtlich des Bedarfes einer extrem hohen Verarbeitungsgenauigkeit gleichwertig.
  • Gewöhnlich wird bisher zum Ätzen der Schicht von auf Silizium basierendem Material ein Chlorfluorkohlenstoff- (CFC-)Gas, wie beispielsweise CFC113 (C&sub2;Cl&sub3;F&sub3;) extensiv als ein Ätzgas verwendet. Da F und Cl beide in dem Molekül des CFC-Gases enthalten sind, kann eine hohe Anisotropie erreicht werden, da das Ätzen durch die Radikalreaktion durch Radikale, wie beispielsweise F* oder C1*, und durch Ionenhilfsreaktion durch Cl&spplus;-, CFX&spplus;- oder CCl&spplus;-Ionen fortschreiten kann, während ein Seitenwandschutz durch ein kohlenstoffhaltiges Polymer erzielt werden kann, das aus der Gasphase aufgetragen ist.
  • Jedoch wird auf verschiedene Probleme in Zusammenhang mit dem CFC-Gas bisher hingewiesen.
  • Zunächst verschlechtert ein in dem CFC-Gas enthaltener Kohlenstoff eine Selektivität bezüglich der Schicht aus Siliziumdioxid (SiO&sub2;). Die C-O-Bindung weist eine höhere zwischenatomare Bindungsenergie als diejenige der Si-O- Bindung auf, so daß, wenn Kohlenstoff zu der Oberfläche einer Schicht aus dem auf SiO&sub2; beruhenden Material adsorbiert wird, die Si-O-Bindung geschwächt werden kann oder SiO&sub2; zu Si reduziert werden kann und damit die Widerstandsfähigkeit gegenüber einem auf Halogen beruhenden Ätzmittel verlorengeht. Dies führt zu einem ernsthaften Problem, wenn das Gateelektrodenverarbeiten mit einem dünnen Gateoxidfilm als einer untenliegenden Schicht durchgeführt wird.
  • Zweitens besteht eine Gefahr einer Verschmutzung durch Teilchen durch ein kohlenstoffhaltiges Polymer. Wenn die Designregeln für Halbleitervorrichtungen in der Zukunft weiter verfeinert werden, stellt sich das kohlenstoffhaltige Polymer, das aus der Gasphase aufgetragen ist, leicht als eine ernste Quelle einer Verunreinigung durch Teilchen dar.
  • Das schwierigste Problem liegt jedoch darin, daß das CFC- Gas zu den Faktoren zählt, die für die Zerstörung der Ozonschicht der Erde verantwortlich sind, und ein Verbot in naher Zukunft für Herstellung und Gebrauch des Gases steht bevor. Somit ist es auf dem Gebiet des Trockenätzens zwingend, ein geeignetes Ersatzmaterial für das CFC-Gas zu finden und ein wirksames Verfahren zum Einsetzen des Ersatzmateriales anzugeben.
  • Unter den Techniken, die für ein Nicht-Verwenden des CFC- Gases als vielversprechend angesehen werden, gibt es ein Niedertemperaturätzen, welches eine Technik beinhaltet, bei der die Temperatur eines zu ätzenden Substrates (Wafer) bei einer Temperatur gehalten wird, die nicht höher als 0ºC ist, um die Radikalreaktion auf der Muster-Seitenwand einzufrieren oder zu unterdrücken, damit das Auftreten von Gestalt-Anormalitäten, wie beispielsweise Unterschneidungen, verhindert wird, während die Ätzrate längs der Tiefe bei einem praktischen Pegel durch den Ionenunterstützungseffekt gehalten wird. In Extended Abstracts of the 35th Spring Meeting (1988) of the Japan Society of Applied Physics and Related Societies, Seite 495, Vortrag-Nr. 28a-G-2 wird beispielsweise von einem Versuch berichtet, bei welchem der Wafer auf -130ºC abgekühlt wurde und ein Silizium- Grabenätzen und Ätzen einer n&spplus;-Typ-Polysiliziumschicht mittels eines SF&sub6;-Gases ausgeführt wurde.
  • Wenn jedoch lediglich ein Einfrieren oder Unterdrücken einer Radikalreaktion für die Realisierung einer hohen Anisotropie herangezogen wird, ist eine niedrigere Temperatur, die mittels flüssigem Stickstoff zu realisieren ist, erforderlich, wie dies oben erläutert wurde. Dies ruft ein Problem unter Hardware-Gesichtspunkten hervor, da eine spezifisch groß bemessene Ausrüstung benötigt wird und ein Vakuum-Abdichten in der Zuverlässigkeit verschlechtert ist. Zusätzlich kann der Durchsatz vermindert werden, und damit kann der wirtschaftliche Profit oder die Produktivität beeinträchtigt werden, da eine zeitaufwendige Operation beim Kühlen des Wafers und einem anschließenden Erwärmen eingeschlossen sind, um die Temperatur auf die Umgebungstemperatur wiederherzustellen.
  • Die Veröffentlichung von I. Pelletier u. a. in Japanese Journal of Applied Physics, Band 29, Nr. 9, September 1990, Seiten 1846-1853 bezieht sich auf Niederdruck-Plasmaätzprozesse von Si und schließt einen Vergleich von verschiedenen Schwefel-Monohalogeniden, darunter S&sub2;O&sub2; und S&sub2;F&sub2; ein.
  • Die US-A-4 956 314 beschreibt ein Verfahren zum differentiellen Ätzen von Siliziumnitrid mit den Schritten des Bildens einer Siliziumnitridschicht in einer im wesentlichen wasserstofffreien Umgebung des Implantierens von Wasser stoff in verschiedene Bereiche der Siliziumnitridschicht und des differentiellen Ätzens der Siliziumnitridschicht.
  • In der EP-A-0 258 698 ist ein Trockenätzverfahren offenbart, bei dem ein Kühlmedium zu dem Waferhalter gespeist wird, um dadurch die Temperaturen und die Dampfdrücke des Ätzgases und der neutralen Radikale zu beeinflussen.
  • Aus der EP-A-0 047 663 ist es bekannt, Wasserstoffgas dem Ätzgas in einem Mikrowellenplasma-Ätzsystem beizufügen, um überschüssige Halogenradikale zu verbrauchen, damit die Anisotropie des Ätzprozesses verbessert wird.
  • Die EP-A-0 065 055 bezieht sich auf eine Kathode für ein reaktives Ionenätzen, welche Silizium oder andere Leer- oder Dummy-Komponenten enthält, um die Ätzrate und die Gleichmäßigkeit des Ätzens zu verbessern.
  • Im Hinblick auf den oben erläuterten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein reaktives Ätzverfahren vorzusehen, bei dem ein ausreichend anisotropes Ätzen eines Grabens in einem Substrat aus Silizium erzielt werden kann, ohne das CFC-Gas zu verwenden, wobei die Wafer-Abkühltemperatur innerhalb eines praktikablen Temperaturbereiches eingestellt ist, selbst wenn das Ätzen bei einer niedrigeren Temperatur ausgeführt wird.
  • Die vorliegenden Erfinder haben erkannt, daß durch Kombinieren von Waferkühlen auf eine niedrigere Temperatur mit Seitenwandschutz ein anisotropes Verarbeiten bei einer Temperatur ausgeführt werden kann, die höher als bisher ist, um einen praktikablen Niedertemperaturätzprozeß zu realisieren. Wenn ein derartiges Ätzgas gewählt wird, daß es in der Lage ist, ein kohlenstofffreies Abscheidungsmate rial in einem Plasma unter Entladungsdissoziationsbedingungen zu liefern, wird die Selektivität des auf SiO&sub2;-basierenden Materials nicht abgesenkt, während eine Verschmutzung durch das kohlenstoffhaltige Polymer nicht erzeugt wird. Das Abscheidungs- bzw. Ablagerungsmaterial sollte in der Lage sein, nach Abschluß des Ätzens leicht entfernt zu werden.
  • Als ein Ergebnis von unseren entsprechend den obigen Erläuterungen durchgeführten Untersuchungen haben die vorliegenden Erfinder ihre Aufmerksamkeit auf Schwefel als ein Beispiel des Abscheidungs- bzw. Ablagerungsmaterials gerichtet. Es hat sich gezeigt, daß Schwefel in einer Gasphase durch Entladungsdissoziation von Schwefelhalogeniden mit einem größeren S/X-Verhältnis hergestellt werden kann, was ein Verhältnis von der Anzahl der Schwefelatome zu derjenigen der Halogenatome in dem Molekül ist. Schwefel wird auf der Waferoberfläche abhängig von den besonderen Ätzbedingungen abgeschieden bzw. aufgetragen, wenn die Wafertemperatur niedriger als die Umgebungstemperatur gesteuert ist. Adsorbierter Schwefel trägt zu einer Maskenselektivität und einer Selektivität der darunterliegenden Schicht auf einer Oberfläche bei, auf die Ionen in einer senkrechten Richtung einfallen, während sie kontinuierlich auf der Musterseitenwand aufgetragen werden, um Seitenwand-Schutzeffekte auf der Musterseitenwand darzubieten, wo Ionen prinzipiell nicht in einer senkrechten Richtung einfallen. Nebenbei kann auf dem Wafer zurückbleibender Schwefel einfach durch Sublimation durch Erwärmen des Wafers auf 90 bis 150ºC nach Abschluß des Ätzens ohne das geringste Risiko einer Verschmutzung durch Teilchen entfernt werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die zuerst als Schwefelhalogenide aufgezählten Verbindungen vier Schwefelflu oride, insbesondere S&sub2;F&sub2;, SF&sub2;, SF&sub4; und S&sub2;F&sub1;&sub0;. Diese Verbindungen wurden in einem vorangehenden Vorschlag als Hauptkomponenten eines Ätzgases für eine Schicht aus einem auf SiO&sub2; basierendem Material vorgeschlagen. Unser vorangehender Vorschlag in Verbindung mit einem Ätzen von auf SiO&sub2; basierendem Material wurde auf ein Ionenmodusätzen gerichtet, das auf einem Beitrag von S&spplus; oder SFx&spplus; beruht. Andererseits ist unser vorliegender Vorschlag auf ein Ätzen durch Unterstützen einer F*-Radikalreaktion durch die einfallende Energie der obigen Ionen durch Optimieren der Betriebsbedingungen gerichtet.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein reaktives Ionenätzverfahren zum Ätzen eines Grabens in einem Siliziumsubstrat gemäß den Merkmalen des beigefügten Patentanspruches 1.
  • Gemäß der Erfindung wird Wasserstoff in einen Ätzbereich zuvor durch Ionenimplantation eingeführt. Durch Einführen von Wasserstoff in einer vorbestimmten Zone durch Steuern der Energie der Implantation kann Wasserstoff konzentriert ausgebeutet werden, wenn die Ätztiefe die Nähe von deren Zone erreicht, um den Verbrauch an Halogenradikalen zu steigern. Gleichzeitig wird Schwefel auf dem Ätzboden aufgetragen, um die Ätzrate abrupt zu erniedrigen. Dies ist wirksam beim Liefern einer gleichmäßigen Ätzrate unabhängig von der Öffnungs- oder Aperturabmessung, um Mikroladeeffekte zu unterdrücken.
  • Die Fig. 1a bis 1c sind schematische Schnittdarstellungen, die einen Prozeß gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, angewandt auf ein Siliziumgrabenätzen, Stufe für Stufe zeigen, wobei Fig. 1a den Zustand zeigt, in welchem Wasserstoff auf einem Einkristall-Siliziumsubstrat ionenimplantiert wird, Fig. 1b ein Grabenätzen zeigt, das gerade durchgeführt wird, und Fig. 1c den Zustand des Abschlusses des Grabenätzens veranschaulicht.
  • Die vorliegende Erfindung wird auf ein Grabenverarbeiten angewandt, bei welchem Wasserstoff zuvor durch Ionenimplantation in ein Einkristallsubstrat bis zu einer Tiefe eingeführt wurde, die nicht kleiner als die gewünschte Grabentiefe ist, und ein Ätzen wird mittels S&sub2;Cl&sub2; ausgeführt. Das vorliegende Beispiel wird anhand der Fig. 1a bis 1c erläutert.
  • Ein Wafer, bei welchem eine Siliziumoxid-Ätzmaske 12 auf einem Einkristallsubstrat 11 vorbereitet wurde, wie dies zum Beispiel in Fig. 1a gezeigt ist, wird vorbereitet. Die Ätzmaske 12 hat eine Seitenwand, die durch Rückätzen durch reaktives Ionenätzen (RIE) gebildet ist. Auf diese Weise beträgt eine erste Öffnung 13a ungefähr 0,2 um im Durchmesser, was oberhalb der Auflösungsgrenze des gegenwärtigen Standes der Photolithographie ist. Eine zweite Öffnung 13b beträgt ungefähr 0,5 um im Durchmesser.
  • H&sub2;&spplus;-Ionen werden sodann bei einer Dosierung von angenähert 10¹&sup6; Atomen/cm² in das Einkristallsubstrat 11 durch die erste Öffnung 13a und die zweite Öffnung 13b implantiert. Als Ergebnis werden Bereiche 14a und 14b hoher Wasserstoffkonzentration bis zu einer Tiefe von nicht weniger als 2 um von der Oberfläche des Einkristall-Siliziumsubstrates 11 gebildet. Es ist zu bemerken, daß die Energie der Ionenimplantation gesteuert werden kann, um die Zone auf einen Wert einzustellen, der ungefähr gleich zu der gewünschten Grabentiefe ist.
  • Dieser Wafer wurde in eine Magnetmikrowellen-Plasmaätzvorrichtung gebracht, und als ein Beispiel wurde das Einkristall-Siliziumsubstrat 11 unter den Bedingungen einer S&sub2;F&sub2;- Strömungsrate von 5 SCCM, eines Gasdruckes von 1,3 Pa (10 mTorr) einer Mikrowellenleistung von 850 W (2,45 GHz), einer HF-Vorspannleistung von 100 W (2 MHz) und einer Wafertemperatur von -70ºC geätzt.
  • Da SZC12 einen Schmelzpunkt von -80ºC und einen Siedepunkt von 137ºC hat und damit ein flüssiges Material bei Umgebungstemperatur ist, wird es durch Aufwallen mittels eines He-Gases vergast, bevor es in das System eingeführt wird. Während dieses Prozesses schreiten eine Ionenunterstützungsreaktion durch S+-, Clx&spplus; oder SCl&spplus;-Ionen und die Radikalreaktion durch Cl*-Radikale gleichzeitig fort, um ein Ätzen bei einer hohen Ätzrate zu bewirken, während aus S&sub2;Cl&sub2; gewonnener Schwefel auf einer Musterseitenwand abgelagert wird, um einen Seitenwandschutzfilm 16 zum Bilden von Gräben 15a, 15b mit hoher Anisotropie zu erzeugen. Da die Effizienz des Einfalles von aktiven Ätzmitteln höher ist bei der zweiten Öffnung 13b als der Öffnung 13a, die schmaler als die Öffnung 13b ist, ist die Ätzrate bei der zweiten Öffnung 13b höher. Als ein Ergebnis erreicht beim Ablauf des Ätzens der Boden des Grabens 15b innerhalb der zweiten Öffnung 13b zuerst eine Region einer hohen Wasserstoffkonzentration 14b, wie dies in Fig. 1b gezeigt ist.
  • Mit dem herkömmlichen Ätzprozeß neigen die Gräben 15a und 15b dazu, voneinander merklich in der Tiefe unter Mikroladeeffekten abzuweichen. Jedoch wird gemäß der vorliegenden Erfindung Cl* bei dieser Stufe durch Wasserstoff verbraucht, der von der Region einer hohen Wasserstoffkonzentration 14b eingespeist ist, so daß das scheinbare S/Cl- Verhältnis abrupt anwächst. Das Ergebnis liegt darin, daß eine Bildung einer Schwefelablagerung 17 auf dem Boden des Grabens 15b konkurrierend mit einer Entfernung hiervon durch Sputtern fortschreitet, so daß die Ätzrate vermindert wird. Als ein Ergebnis wird der Graben 15b kaum in der Tiefe vergrößert.
  • Da ein Ätzen weiter fortschreitet, erreicht der Graben 15a eine Region einer hohen Wasserstoffkonzentration 14a, und eine Schwefelablagerung 17 wird durch den gleichen Effekt gebildet. Da ein Ätzen im wesentlichen beendet ist, werden die Gräben 15a und 15b mit verschiedenen Durchmessern im wesentlichen bis zu der gleichen Tiefe gebildet, ohne durch die Mikroladeeffekte beeinträchtigt zu sein.

Claims (1)

1. Reaktives Ionenätzverfahren zum Ätzen eines Grabens einer gewünschten Tiefe in einem Siliziumsubstrat mittels eines S&sub2;F&sub2;, SF&sub2;, SF&sub4;, S&sub2;F&sub1;&sub0;, S&sub3;Cl&sub2;, S&sub2;Cl&sub2; oder SCl&sub2; enthaltenden Ätzgases, das in der Lage ist, ein Halogenradikal in ein Plasma unter Bedingungen einer Entladungsdissoziation freizugeben, wobei das Verfahren die folgenden schritte aufweist:
- Bilden eines Bereiches (14a, 14b) einer hohen Wasserstoffkonzentration bei der gewünschten Tiefe von der Oberfläche des Substrates (11), wobei die Energie der Ionenimplantation eingestellt ist, um die Zone auf einen Wert ungefähr gleich zu der gewünschten Grabentiefe einzustellen, und die Dosierung auf einen Wert eingestellt ist, so daß bei dem Ätzschritt Wasserstoff in einer Menge freigegeben wird, so daß die Ätzrate abrupt aufgrund einer Schwefelablagerung auf dem Boden des Grabens vermindert wird,
- anschließend Ätzen des Substrates (11), während das Substrat (11) gekühlt wird.
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