WO2000042646A1 - Verfahren zum strukturieren einer schicht - Google Patents

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WO2000042646A1
WO2000042646A1 PCT/DE2000/000087 DE0000087W WO0042646A1 WO 2000042646 A1 WO2000042646 A1 WO 2000042646A1 DE 0000087 W DE0000087 W DE 0000087W WO 0042646 A1 WO0042646 A1 WO 0042646A1
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layer
etching
residues
liquid jet
etching mask
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PCT/DE2000/000087
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Volker Weinrich
Manfred Engelhardt
Walter Diener
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Infineon Technologies Ag
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    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02041—Cleaning
    • H01L21/02057—Cleaning during device manufacture
    • H01L21/02068—Cleaning during device manufacture during, before or after processing of conductive layers, e.g. polysilicon or amorphous silicon layers
    • H01L21/02071—Cleaning during device manufacture during, before or after processing of conductive layers, e.g. polysilicon or amorphous silicon layers the processing being a delineation, e.g. RIE, of conductive layers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
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    • H01L21/02052—Wet cleaning only

Definitions

  • the invention is in the field of semiconductor technology and relates to a method for structuring a layer.
  • microelectronic components for example semiconductor memories
  • a large number of different materials e.g. are applied in the form of layers on a base substrate, are structured.
  • the layers to be structured are covered with a suitable etching mask and then exposed to an etching medium. Through physical and / or chemical removal, this leads to the removal of the structures to be structured
  • the etching medium can also partially remove the etching mask, as a result of which the layer is no longer accurately etched. This manifests itself, for example, in inclined etching flanks of the layer to be structured. However, such inclined etching edges should be avoided as much as possible in order to reduce the additional space they cause. A widening of the dimensions by inclined etching can also be observed.
  • etching of metal and metal oxide layers is particularly difficult.
  • etching platinum with an etching process with a high physical component relatively steep etching flanks are obtained, but at the same time material deposits are formed on the etching mask that are extremely difficult to remove. Therefore, in addition to the physical component, a reactive chemical component is also assigned to the etching process in order to suppress or remove these material deposits during the etching.
  • etching processes are for example in the
  • Chlorine or fluorine ions are added as a chemical component to reduce material deposits. Unfortunately, these processes result in strongly inclined platinum etching edges, which lead to an undesirable enlargement of the etching structure.
  • a substrate with at least one layer to be permanently structured is provided;
  • the layer is etched by means of an etching process with a high physical etching component using the etching mask, so that very steep etching flanks are created in the layer, with the etching at least firmly and mechanically relatively stable material deposits on the layer or on the substrate arise that contain largely redistributed and removed material of the layer and represent the etching residues; and -
  • the layer is subsequently cleaned with a liquid jet of an organic solvent directed onto the layer, through which the etching residues and possibly the etching mask are largely removed from the layer.
  • etching residues as well as the etching mask possibly remaining on the substrate and the structured layer by means of a directed liquid jet, as far as possible without residue.
  • the liquid jet is preferably shaped by at least one nozzle, through which liquid emerges under high pressure and thereby forms a relatively sharply focused high-pressure liquid jet provided with high flow velocity.
  • etching residues which are connected to the layer or the substrate to be etched, can also be removed from the layer surface by means of a preferably bundled liquid jet.
  • etching residues often consist of an amorphous or polycrystalline mixture of layer residues and etching mask components, which are mechanically firmly connected to the layer to be structured.
  • the layer residues, ie material deposits are deposited at least partially during the etching process on the side flanks of the etching mask and on the top of the etching mask and form a multi-component adherent layer there together with partially loosened and near-surface etching mask layers. It is therefore also possible to speak of etched residues or material deposits that have grown up.
  • etching residues on the layer is used below, the etching residues adhering to the substrate should also be included.
  • the atzruck levels are largely physically removed by the liquid jet. A chemical attack on the structured layer is therefore impossible. Inert liquids are preferably used as far as possible with respect to the layer.
  • the method according to the invention makes it possible to etch the layer almost exclusively using an etching method with physical components and thereby to obtain very steep etching flanks (70 ° -90 °) of the etched layer.
  • the in this etching e.g. in the case of pure argon sputtering, undesirable material deposits which arise on the etching mask, however, are then removed according to the invention largely without residues and simply by means of the liquid jet.
  • the use of reactive gases during etching, which lead to faceted flanks and thereby increase the lateral extent of the structures etched from the layer, is not necessary.
  • a liquid which does not chemically largely attack the layer to be structured is preferably used. As a result, the structured ones are not removed during cleaning by the liquid jet
  • the liquid can contain a substance attacking the etching mask or the residues of the etching mask. This adds a chemical component in addition to the initially purely physical cleaning component, but it does so exclusively leads to removal of the etching mask or the etching mask remnants.
  • the etching mask can be at least partially removed before removing the etching residues and material deposits.
  • the etching residues lose their mechanical support to a certain extent through the etching mask and can therefore be removed more easily by the liquid jet.
  • the etching mask can be removed, for example, by ashing the etching mask material or by wet chemical removal.
  • a final cleaning of the etched layer is furthermore favorable in order to remove residues still adhering. The final cleaning is preferably carried out under the influence of ultrasound or megasound.
  • metal layers, metal oxide layers or layer stacks which consist at least of a metal layer and a layer containing metal oxide, can be structured with very steep profile flanks.
  • This method is therefore preferred for the structuring of metal layers made of, in particular, platinum, ruthenium, iridium, rhenium, palladium, iron, cobalt, nickel, layers made of iridium oxide and ruthenium oxide and of amorphous or polycrystalline metal oxide-containing layers which are used for the production of semiconductor memories, used.
  • the second part of the object is achieved according to the invention by a device for removing etching residues from a layer, wherein
  • the device can be connected to an etching chamber in a manner impermeable to contamination
  • a substrate with the layer to be etched can be introduced from the etching chamber to the device; and - The device at least one directed to the layer
  • Has nozzle for shaping at least one directed liquid jet which serves to remove etching residues and, if appropriate, an etching mask from the layer and the substrate, the nozzle and the layer being movable relative to one another and the nozzle for shaping a high-pressure liquid jet from at least 20 bar is suitable.
  • the layer after etching the layer, the layer can be cleaned by the liquid jet without the layer being exposed to harmful environmental influences during transport to the device.
  • the device according to the invention is connected to the etching chamber in a manner impermeable to contamination. This is possible, for example, by means of suitable sealable connecting pieces, through which the layer on a substrate can at the same time be transferred from the etching chamber to the device.
  • the substrate with the structured layer can therefore advantageously be etched and cleaned without removal from the unit formed by the etching chamber and the cleaning chamber.
  • the contamination-free connection of the device to the etching chamber also prevents contamination of the etching chamber even when the substrate is removed. It is favorable to arrange the at least one nozzle and the substrate with the structured layer so that they can move relative to one another, so that the entire layer can be swept by the liquid jet emerging from the nozzle. Several nozzles and liquid jets can be used simultaneously to improve the cleaning effect. It makes sense to let the substrate rotate to sweep the layer from all directions.
  • the invention is described below using an exemplary embodiment and is shown schematically in a drawing. Show it:
  • FIGs 4 and 5 an inventive device.
  • the first figure 1 shows a base substrate 5, on the top of which a layer structure composed of an oxide or nitride layer 10, a barrier layer 15 and a platinum layer 20 are arranged.
  • the platinum layer 20 and the barrier layer 15 together represent the layer to be structured.
  • the barrier layer 15 in turn consists of an approximately 100 nm thick titanium nitride layer and an approximately 20 nm thick titanium layer located underneath.
  • the platinum layer 20 is approximately 250 nm thick.
  • An etching mask 25 is subsequently applied to the platinum layer.
  • the etching mask 25 can consist of a material that can be structured photolithographically, for example photoresist, and can thus be structured easily. If a light-insensitive mask material is used, the etching mask 25 is structured using a further layer which can be structured photolithographically.
  • the platinum layer 20 and the barrier layer 15 are then etched. This is preferably done in a MERIE (Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching) reactor, the process chamber having been previously evacuated to a pressure of about 10 mTorr.
  • MERIE Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching
  • the platinum layer 20 is then etched in pure argon plasma for approximately 3 minutes at approximately 50 ° C., the magnetic field used being approximately 0.008T (80 Gauss) and the power required to maintain the plasma approximately 750 Watts.
  • the argon etching process is an almost purely physical etching process, since the platinum is only removed by the accelerated argon ions.
  • the barrier layer 15 in contrast to the platinum layer 20, is etched to different extents by argon, the barrier layer 15 also serves here as an etching stop layer, so that any spatially inhomogeneous etching of the platinum layer 20 that may occur does not lead to an uneven etching topology.
  • the barrier layer 15 is etched in a pure chlorine plasma for about 30 seconds. Since an etching attack of the chlorine on the side wall of the structured platinum occurs only insignificantly, and since the upper side of the platinum layer 20 is still protected by the mask 25, the platinum layer 20 is not further removed during the barrier etching.
  • material deposits 30 form on the side walls of the etching mask 25. These mainly consist of redistributed platinum.
  • the etching mask 25 can also be partially removed, which is noticeable in the slightly inclined flanks of the etching mask 25. Basically, however, extremely steep flanks (80 ° -90 °) 32 are etched using argon sputtering. Material deposits also occur on the top of the etching mask 25. However, these are repeatedly removed by the argon ions, so that there is a constantly renewing layer that is extremely thin. This thin layer is not shown in the figures.
  • the etching mask 25 is burned by the action of an oxygen plasma, as a result of which only on the platinum layer 20 the material deposits 30 still remain in the form of steep walls which, after the etching mask 25 has been removed, can be bent towards one another due to the lack of mechanical support. It is possible that the etching mask 25 is removed from the platinum layer 20 except for a few residues 35 during the ashing. These residues 35 can be removed by wet chemical cleaning in a Karos acid (H 2 O 2 + H 2 S0 4 ) or by a cleaning medium containing hydroxylamine, catechol and ethylenediamine. Alternatively, the entire mask 25 can also be removed by wet chemistry.
  • etching mask residues 35 and the material deposits 30 are subsequently removed from the platinum layer 20 largely without residue by a liquid jet 45.
  • the liquid jet 45 is formed by means of a nozzle 40 through which the liquid flows at high pressure. A pressure that is selected depending on the material between 20 and 150 bar is favorable. With platinum, around 80 bar have proven successful.
  • the liquid used in the liquid jet 45 is preferably an N-methylpyrrolidone solution (NMP) which has a temperature of approximately 80 ° C. At this temperature, any remaining etching mask residues detach from the platinum layer 20 particularly well.
  • NMP N-methylpyrrolidone solution
  • the nozzle 40 is provided with a heating device 50 for tempering the liquid jet 45.
  • the base substrate 5 In order to sweep the liquid jet 45 over all areas of the base substrate 5, which is usually a wafer, the base substrate 5 is rotated at approximately 200 Hz. At the same time, the liquid jet 45 is moved from the inside to the outside of the base substrate 5. It is expedient to reduce the speed of movement of the liquid jet 45 towards the outer region of the base substrate 5 by that of the Liquid jet 45 per revolution to be covered area of the base substrate 5. A cleaning process typically takes about 4 minutes.
  • Good cleaning results are obtained with a distance of the nozzle 40 from the base substrate of about 1 to 3 cm and a radiation angle of about 90 ° to the base substrate surface.
  • a great advantage of the method according to the invention is that the liquid striking the surface can be removed relatively easily from the base substrate 5 by a subsequent rinsing step with deionized water. This method is therefore also particularly inexpensive.
  • wet chemical cleaning and / or cleaning with soft brushes can optionally be carried out to remove any remaining particles or residues. This is preferably done in the presence of a highly dilute hydrofluoric acid (HF) or dilute
  • the cleaning effect of the liquid jet is based on several complementary components.
  • the main effect is achieved by the impulse of the liquid jet.
  • the etching residues which have grown on the layer surface break off and can thereby be carried away by the liquid which sweeps over the layer surface and forms a liquid flow along the surface.
  • Frictional force is no longer sufficient to remove firmly adhering and relatively small etching residues.
  • the method according to the invention can also be used for the joint structuring of a layer stack 55 which, for example, consists of a barrier layer 15, a platinum layer 20 and a layer 60 containing metal oxide.
  • Layer stacks 55 of this type are used, for example, for the production of semiconductor memories.
  • the metal oxide-containing layer 60 preferably consists of a material of the general form ABO x or BO x , where A for at least one metal from the group consisting of barium, strontium, niobium, lead, zirconium, lanthanum, bismuth, calcium and potassium, B for titanium, ruthenium or tantalum and 0 stands for oxygen.
  • X is between 2 and 12.
  • These classes of substances are, for example, strontium bismuth tantalate (SrBi 2 Ta 2 0 9 ) and tantalum oxide (Ta 2 0 5 ).
  • the material deposits 30 formed during the etching of this layer stack 55 can also be slightly inclined towards one another after the ashing of the etching mask 25. This is shown in Figure 2.
  • the layer 10 located below the layer stack 55 which preferably consists of silicon dioxide or silicon nitride, simultaneously acts as an etching stop layer when the layer stack 55 is etched.
  • FIG. 3 shows the material deposits 30 as a result of the joint etching of a further platinum layer 62 and the layer 60 containing metal oxide.
  • the structuring of the platinum layer 20 or the layer stack 55 is preferably carried out in a cleaning chamber 65, which is shown in FIG. 5.
  • This has a lock 70 for introducing the base substrate 75 into the cleaning chamber 65.
  • the cleaning chamber 65 is connected to a pump (not shown here in more detail) via a suction connection 80.
  • the cleaning medium liquid jet
  • the base substrate 75 lies on a heatable substrate carrier 85 which is heated by a heater 90.
  • Movable nozzles 40 are also arranged in the process chamber 65, which nozzles can scan the base substrate 75 in a grid-like or radial manner.
  • the liquid for removing the etching residues 30 is fed to the nozzles 40 via a pressure line 100.
  • a heating device 50 in the form of electrical heating coils for heating the liquid.
  • the cleaning chamber 65 which here represents the inventive device, is combined with the etching chamber 110 to form a so-called cluster tool.
  • the basic subs strat 75 is transported into the etching chamber 110 from an input station via a transport station 115, in which a reduced pressure prevails.
  • the mask is removed in a so-called strip chamber 120 and transferred to the cleaning chamber 65 through a further transport station 116, which preferably has approximately atmospheric pressure. If it is possible to dispense with ashing of the mask, no stripping chamber 120 is required and the further transport station 116 can be designed as a drying system.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Strukturieren einer Schicht (20) vorgeschlagen, bei dem nach dem Ätzen der Schicht (20) Ätzrückstände (30) von der Oberfläche der Schicht (20) durch einen Flüssigkeitsstrahl (45) entfernt werden. Die Reinigung erfolgt im wesentlichen durch eine Impulsübertragung vom Flüssigkeitsstrahl (45) auf die Ätzrückstände (30), die dadurch von der Schicht (20) entfernt werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Strukturieren von Metallschichten (20).

Description

Beschreibung
Verfahren zum Strukturieren einer Schicht
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie und betrifft ein Verfahren zum Strukturieren einer Schicht.
Zur Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen, beispielsweise Halbleiterspeichern, muß eine Vielzahl von unter- schiedlichen Materialien, die z.B. in Form von Schichten auf einem Grundsubstrat aufgebracht sind, strukturiert werden. Dazu werden die zu strukturierenden Schichten mit einer geeigneten Ätzmaske bedeckt und anschließend einem Ätzmedium ausgesetzt. Dieses führt durch physikalischen und/oder chemi- sehen Abtrag zu einem Entfernen der zu strukturierenden
Schicht von den nicht durch die Ätzmaske bedeckten Bereiche des Grundsubstrats. Beim Ätzen kann es jedoch durch den Angriff des Ätzmediums auch zu einem teilweisen Entfernen der Ätzmaske kommen, in dessen Folge die Schicht nicht mehr maß- haltig geätzt wird. Dies äußert sich beispielsweise in geneigten Ätzflanken der zu strukturierenden Schicht. Derartig geneigte Ätzflanken sollen jedoch möglichst weitestgehend vermieden werden, um den durch sie verursachten zusätzlichen Platzbedarf zu vermindern. Auch eine Maßaufweitung durch ge- neigte Ätzfahren kann beobachtet werden.
Besondere Schwierigkeiten bereitet das Ätzen von Metall- und Metalloxidschichten. So erhält man beispielsweise beim Ätzen von Platin mit einem Ätzverfahren mit hoher physikalischer Komponente relativ steile Ätzflanken, jedoch bilden sich dabei gleichzeitig Materialablagerungen an der Ätzmaske aus, die nur äußerst schwer entfernbar sind. Daher wird neben der physikalischen Komponente dem Ätzverfahren zusätzlich eine reaktive chemische Komponente zugeordnet, um diese Material- ablagerungen während des Ätzens zu unterdrücken bzw. abzutra- gen. Derartige Ätzverfahren werden beispielsweise in den
Fachartikeln Yoo et al. "Control of Etch Slope during Etching of Pt in Ar/Cl2/02 Plasmas", Japanese Journal of Applied Phy- sics Vol. 35, 1996, Seiten 2501 bis 2504, T. Shibano et al. "Sidewall deposition film in platinu etching with Ar/halogen mixed gas plasmas", J. Vac. Sei. Technol. B 15(5), Sep/Oct
1997, S. 1747 bis 1751 und Park et al . "Platinium Etching in an Inductively Coupled Plasma" 26th Essderc 1996, Seiten 631 bis 634 beschrieben. In diesen Fachartikeln wird Platin in einem Argonplasma anisotrop geätzt, wobei dem Argonplasma
Chlor- oder Fluorionen als chemische Komponente zur Reduzierung der Materialablagerungen beigesetzt sind. Ungünstigerweise entstehen jedoch bei diesen Verfahren stark geneigte Platinätzflanken, die zu einer unerwünschten Vergröße- rung der Ätzstruktur führen.
Das Ätzen von Platin in einem reinen Argonplasma wird in beiden Fachartikeln vermieden, da die sich beim Ätzen ausbildenden Materialablagerungen nur schwer entfernbar sind. Da die Materialablagerungen aus dem gleichen Material wie die zu strukturierende Schicht bestehen, würde z.B. ein naßchemisches Entfernen der Materialablagerungen auch zu einem unerwünschten Angreifen der Schicht führen.
Es ist auch möglich, Platin bei stark erhöhten Temperaturen zu ätzen, da das Platin bei hohen Temperaturen mit den Ätzgasen flüchtige Verbindungen bildet. Voraussetzung hierfür ist jedoch die Verwendung von sogenannten Hartmasken aus relativ temperaturstabilen Maskenmaterialien. Der nachfolgend erfor- derliche Abtrag der Hartmasken führt jedoch gleichzeitig zu einem Abtrag freigelegten Grundsubstrats und damit zu einer unerwünschten Erhöhung der Topologie der zu prozessierenden Struktur. Die Verwendung von Ätzverfahren mit hoher physikalischer Komponente wird auch in der JP 5-21405 A vermieden, um die Bildung von schwer entfernbaren Materialablagerungen zu verhindern. Zwar entstehen auch beim chemischen Ätzen von Platin mit CF4 an den Seitenflanken der verwendeten Hartmaske aus Spin-on-Glas Filme, diese lassen sich jedoch relativ leicht mit einer Bürste und unter Zuhilfenahme eines Wasserstrahls entfernen. Die Filme werden mechanisch durch die Bürste von der Oberfläche entfernt. Der Wasserstrahl dient dann nur noch zum Fortspülen der losen Filme. Da auch hier auf die Verwendung von physikalischen Ätzverfahren verzichtet wird, entstehen beim Verfahren gemäß der JP 5-21405 A relativ flache Ätzflanken. Außerdem führt das nachträgliche Entfernen der Hartmaske zu einer Topologieverschärfung.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Strukturieren einer Schicht anzugeben, bei dem möglichst steile Ätzflanken ohne weiteren Angriff der zu strukturierenden Schicht entstehen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung ei- nes derartigen Verfahrens zu benennen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Strukturieren einer Schicht mit folgenden Schritten:
- ein Substrat mit zumindest einer dauerhaft zu strukturie- renden Schicht wird bereitgestellt;
- auf diese Schicht wird eine Ätzmaske aus einem Lackmaterial aufgebracht;
- die Schicht wird mittels eines Ätzverfahrens mit hoher physikalischer Ätzkomponente unter Verwendung der Ätzmaske ge- ätzt, so daß dabei sehr steile Ätzflanken in der Schicht geschaffen werden, wobei durch das Ätzen zumindest auf der Schicht bzw. auf dem Substrat festhaftende und mechanisch relativ stabile Materialablagerungen entstehen, die wei- testgehend umverteiltes und abgetragenes Material der Schicht enthalten und die Ätzrückstände darstellen; und - die Schicht wird nachfolgend mit einem auf die Schicht gerichteten Flüssigkeitsstrahl eines organischen Lösungsmittels gereinigt, durch den dabei die Ätzrückstände und gegebenenfalls die Ätzmaske weitestgehend von der Schicht ent- fernt werden.
Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, Ätzrückstände sowie die ggf. auf dem Substrat und der strukturierten Schicht verbliebene Ätzmaske durch einen gerichteten Flüssigkeitsstrahl weitestgehend rückstandsfrei zu entfernen. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, daß die Ätzrückstände durch die Wucht des auf sie gerichteten Flüssigkeitsstrahl vom Substrat entfernt werden. Insbesondere bei einer ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls lassen sich auch fest- haftende Ätzrückstände entfernen. Der Flüssigkeitsstrahl wird bevorzugt durch zumindest eine Düse geformt, durch die Flüssigkeit unter hohem Druck austritt und dabei einen relativ scharf gebündelten und mit hoher Strömungsgeschwindigkeit versehenen Hochdruckflüssigkeitsstrahl bildet.
Durch Versuche konnte überraschenderweise festgestellt werden, daß mittels eines bevorzugt gebündelten Flüssigkeitsstrahls auch fest anhaftende und mit der zu ätzenden Schicht bzw. dem Substrat verbundene Ätzrückstände von der Schicht- Oberfläche entfernbar sind. Derartige Ätzrückstände bestehen häufig aus einem amorphen oder polykristallinen Gemisch aus Schichtrückständen- und Ätzmaskenbestandteilen, die mechanisch fest mit der zu strukturienden Schicht verbunden sind. Die Schichtrückstände, d.h. Materialablagerungen, schlagen sich zumindest teilweise während des Ätzprozesses an den Seitenflanken der Ätzmaske und auf der Oberseite der Ätzmaske nieder und bilden dort zusammen mit teilweise aufgelockerten und oberflächennahen Ätzmaskenschichten eine mehrkomponentige festhaftende Schicht. Daher kann auch von aufgewachsenen Ätz- rückständen bzw. Materialablagerungen gesprochen werden. Die- se sind chemisch selektiv ohne Angriff der zu strukturierenden Schicht nur schwer zu entfernen, da ein chemischer Abtrag der Materialablagerungen gleichzeitig die zu strukturierende Schicht angreifen würde. Obwohl im weiteren von Atzruckstan- den auf der Schicht gesprochen wird, sollen auch die auf dem Substrat haftendenden Atzrückstande mit umfaßt werden.
Durch den Flussigkeitsstrahl werden die Atzruckstande weitestgehend physikalisch entfernt. Ein chemischer Angriff auf die strukturierte Schicht ist daher ausgeschlossen. Bevorzugt werden gegenüber der Schicht weitestgehend inerte Flüssigkeiten verwendet.
Durch das erfindungsgemaße Verfahren ist es möglich, die Schicht nahezu ausschließlich mit einem Ätzverfahren mit physikalischer Komponente zu atzen und dadurch sehr steile Atzflanken (70° - 90°) der geatzten Schicht zu erhalten. Die bei diesem Ätzen, z.B. bei reinem Argonsputtern, entstehenden unerwünschten Materialablagerungen auf der Atzmaske werden jedoch gemäß der Erfindung anschließend weitestgehend ruckstandsfrei und einfach durch den Flussigkeitsstrahl entfernt. Die Verwendung von reaktiven Gasen beim Atzen, die zu facettierten Flanken fuhren und dadurch die laterale Ausdehnung der aus der Schicht geatzten Strukturen erhohen, ist nicht notig.
Bevorzugt wird eine die zu strukturierende Schicht chemisch weitestgehend nicht angreifende Flüssigkeit verwendet. Dadurch kommt es wahrend der Reinigung durch den Flussigkeitstrahl nicht zu einem Abtrag der strukturierten
Schicht. Diese bleibt vielmehr maßhaltig. Unterstutzend kann in der Flüssigkeit eine die Atzmaske bzw. die Atzmaskenreste angreifende Substanz enthalten sein. Dadurch wird neben der zunächst rein physikalischen Reinigungskomponente eine chemische Komponente hinzugefugt, die jedoch ausschließlich zu einem Abtrag der Ätzmaske bzw. der Ätzmaskenreste führt.
Günstig ist beispielsweise die Verwendung von N-
Methylpyrrolidon .
Optional kann vor dem Entfernen der Ätzrückstände und Materialablagerungen die Ätzmaske zumindest teilweise entfernt werden. Dadurch verlieren die Ätzrückstände bis zu einem gewissen Grad ihre mechanische Unterstützung durch die Ätzmaske und können daher leichter durch den Flüssigkeitsstrahl entfernt werden. Die Ätzmaske kann beispielsweise durch ein Veraschen des Ätzmaskenmaterials oder durch naßchemischen Abtrag entfernt werden. Günstig ist weiterhin eine abschließende Reinigung der geätzten Schicht, um noch anhaftende Rückstände zu entfernen. Die abschließende Reinigung erfolgt bevorzugt unter Einwirkung von Ultraschall oder Megaschall.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Metallschichten, Metalloxidschichten oder Schichtenstapel, die zumindest aus einer Metallschicht und einer metalloxidhaltigen Schicht bestehen, mit sehr steilen Profilflanken strukturiert werden. Bevorzugt wird dieses Verfahren daher bei der Strukturierung von Metallschichten aus insbesondere Platin, Ruthenium, Iridium, Rhenium, Palladium, Eisen, Kobalt, Nickel, Schichten aus Iridiumoxid und Rutheniumoxid sowie von amorphen bzw. polykristallinen metalloxidhaltigen Schichten, die zur Herstellung von Halbleiterspeichern verwendet werden, benutzt.
Der zweite Teil der Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Entfernen von Ätzrückständen von einer Schicht, wobei
- die Vorrichtung mit einer Ätzkammer verunreinigungsdicht verbindbar ist,
- ein Substrat mit der zu ätzenden Schicht von der Ätzkammer zur Vorrichtung einführbar ist; und - die Vorrichtung zumindest eine auf die Schicht richtbare
Düse zum Formen zumindest eines gerichteten Flussigkeits- strahls aufweist, der zum Entfernen von Atzruckstanden und gegebenenfalls einer Atzmaske von der Schicht und dem Sub- strat dient, wobei die Düse und die Schicht relativ zueinander bewegbar sind und die Düse zum Formen eines Hoch- druckflussigkeitsstrahls von mindestens 20 bar geeignet ist .
Gemäß der Erfindung kann in der Vorrichtung nach dem Atzen der Schicht diese durch den Flussigkeitsstrahl gereinigt werden, ohne daß die Schicht beim Transport zur Vorrichtung schädlichen Umwelteinflüssen ausgesetzt ist. Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemaße Vorrichtung verunreinigungsdicht mit der Atzkammer verbunden. Dies ist beispielsweise durch geeignete abdichtbare Ansatzstutzen möglich, durch die gleichzeitig auch die auf einem Substrat befindliche Schicht von der Atzkammer zur Vorrichtung überfuhrt werden kann. Das Substrat mit der strukturierten Schicht kann daher ohne Entnahme aus der durch die Atzkammer und die Reinigungskammer gebildeten Einheit vorteilhaft geatzt und gereinigt werden.
Durch das verunreinigungsfreie Verbinden der Vorrichtung mit der Atzkammer wird auch ein Verunreinigen der Atzkammer selbst bei der Entnahme des Substrats vermieden. Gunstig ist, die zumindest eine Düse und das Substrat mit der strukturierten Schicht relativ zueinander bewegbar anzuordnen, so daß die gesamte Schicht von dem aus der Düse austretenden Flussigkeitsstrahl überstrichen werden kann. Zur Verbesserung der Reinigungswirkung kann gleichzeitig mit mehreren Düsen und Flussigkeitsstrahlen gearbeitet werden. Dabei ist es sinnvoll, das Substrat rotieren zu lassen, um die Schicht aus allen Richtungen zu überstreichen. Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben und schematisch in einer Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
Figuren la bis le einzelne Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figuren 2 und 3 auf einem Schichtenstapel verbliebene
Ätzrückstände, und
Figuren 4 und 5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
In Figur 1 ist ein Grundsubstrat 5 dargestellt, auf dessen Oberseite eine Schichtstruktur aus einer Oxid- oder Nitridschicht 10, einer Barrierenschicht 15 und einer Platinschicht 20 angeordnet sind. Die Platinschicht 20 und die Barrierenschicht 15 stellen hier zusammen die zu strukturierende Schicht dar. Die Barrierenschicht 15 besteht ihrerseits aus einer etwa lOOnm dicken Titannitridschicht und einer darunter befindlichen etwa 20nm dicken Titanschicht. Die Platinschicht 20 ist etwa 250nm dick. Auf die Platinschicht wird nachfolgend eine Ätzmaske 25 aufgebracht. Die Ätzmaske 25 kann aus einem fotolithografisch strukturierbaren Material, beispielsweise Photolack, bestehen und dadurch leicht strukturiert werden. Sofern ein lichtunempfindliches Maskenmaterial verwendet wird, erfolgt das Strukturieren der Ätzmaske 25 unter Verwendung einer weiteren fotolithografisch strukturierbaren Schicht.
Anschließend werden die Platinschicht 20 und die Barrierenschicht 15 geätzt. Dies erfolgt bevorzugt in einem MERIE-Re- aktor (Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching) , wobei die Prozeßkammer zuvor auf einen Druck von etwa 10 mTorr evakuiert wurde. Danach wird die Platinschicht 20 in reinem Argonplasma etwa 3 Minuten lang bei etwa 50°C geätzt, wobei das verwendete Magnetfeld etwa 0,008T (80Gauss) aufweist und die zur Aufrechterhaltung des Plasmas nötige Leistung etwa 750 Watt beträgt. Der Argonätzprozeß ist ein nahezu rein physikalischer Ätzvorgang, da das Platin nur durch die beschleunigten Argonionen abgetragen wird. Da die Barrierenschicht 15 im Gegensatz zur Platinschicht 20 unterschiedlich stark durch Argon geätzt wird, dient die Barrierenschicht 15 hier gleichzeitig als Ätzstoppschicht, so daß ein eventuell auftretendes räumlich inhomogenes Ätzen der Platinschicht 20 nicht zu einer ungleichmäßigen Ätztopologie führt.
Nach dem Ätzen der Platinschicht 20 wird die Barrierenschicht 15 in einem reinen Chlorplasma für etwa 30 sec geätzt. Da ein Ätzangriff des Chlors auf der Seitenwand des strukturierten Platins nur unwesentlich erfolgt, und da die Oberseite der Platinschicht 20 weiterhin durch die Maske 25 geschützt ist, wird die Platinschicht 20 während der Barrierenätzung nicht weiter abgetragen.
Insbesondere beim Ätzen der Platinschicht 20 bilden sich Materialablagerungen 30 (redepositions) an den Seitenwänden der Ätzmaske 25 aus. Diese bestehen überwiegend aus umverteilten Platin. Durch das Ätzen kann es weiterhin auch zu einem teilweisen Abtragen der Ätzmaske 25 kommen, was sich in leicht geneigten Flanken der Ätzmaske 25 bemerkbar macht. Grundsätzlich werden jedoch mittels Argonsputtern äußerst steile Flan- ken (80°-90°) 32 geätzt. Materialablagerungen entstehen darüber hinaus auch auf der Oberseite der Ätzmaske 25. Diese werden jedoch durch die Argonionen immer wieder abgetragen, so daß dort eine sich ständig erneuernde Schicht bildet, die äußerst dünn ist. Diese dünne Schicht ist in den Figuren nicht dargestellt.
Zum Entfernen der Materialablagerungen 30 und der Ätzmaske 25 werden anschließend mehrere Reinigungsschritte durchgeführt. Zunächst wird die Ätzmaske 25 durch Einwirkung eines Sauer- stoffplasmas verbrannt, wodurch auf der Platinschicht 20 nur noch die Materialablagerungen 30 in Form von steilen Wänden verbleiben, die nach Entfernen der Ätzmaske 25 aufgrund der nun fehlenden mechanischen Unterstützung zueinander gebogen sein können. Es ist möglich, daß bei dem Veraschen die Ätz- maske 25 bis auf einige Rückstände 35 von der Platinschicht 20 entfernt wird. Diese Rückstände 35 können durch eine naßchemische Reinigung in einer karoschen Säure (H2O2+H2S04) oder durch ein Hydroxylamin, Katechol und Ethylendiamin enthaltendes Reinigungsmedium entfernt werden. Alternativ kann auch die gesamte Maske 25 naßchemisch entfernt werden.
Eventuell verbliebene Ätzmaskenrückstände 35 und die Materialablagerungen 30 werden nachfolgend durch einen Flüssigkeitsstrahl 45 weitestgehend rückstandsfrei von der Platin- schicht 20 entfernt. Der Flüssigkeitsstrahl 45 wird mittels einer Düse 40 geformt, durch die die Flüssigkeit mit hohem Druck strömt. Günstig ist ein Druck, der materialabhängig zwischen 20 und 150 bar gewählt wird. Bei Platin haben sich etwa 80 bar bewährt.
Die verwendete Flüssigkeit des Flüssigkeitsstrahls 45 ist bevorzugt eine N-Methylpyrrolidon-Lösung (NMP) , die eine Temperatur von etwa 80°C aufweist. Bei dieser Temperatur lösen sich besonders gut eventuell verbliebene Ätzmaskenreste von der Platinschicht 20 ab. Zur Temperierung des Flüssigkeitsstrahls 45 ist die Düse 40 mit einer Heizvorrichtung 50 versehen.
Um alle Bereiche des Grundsubstrats 5, das üblicherweise ein Wafer ist, mit dem Flüssigkeitsstrahl 45 zu überstreichen, wird das Grundsubstrat 5 mit etwa 200 Hz rotiert. Gleichzeitig wird der Flüssigkeitstrahl 45 vom Innenbereich zum Außenbereich des Grundsubstrats 5 bewegt. Günstig ist, die Bewegungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls 45 zum Außenbe- reich des Grundsubstrats 5 hin zu verringern, um der vom Flüssigkeitsstrahl 45 pro Umdrehung zu überstreichenden Fläche des Grundsubstrats 5 Rechnung zu tragen. Typischerweise dauert ein Reinigungsvorgang etwa 4 min.
Gute Reinigungsergebnisse werden bei einem Abstand der Düse 40 vom Grundsubstrat von etwa 1 bis 3cm und einem Abstrahlwinkel von etwa 90° zur Grundsubstratoberfläche erhalten.
Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die auf die Oberfläche auftreffende Flüssigkeit relativ leicht durch einen nachfolgenden Spülschritt mit deionisiertem Wasser weitestgehend rückstandsfrei vom Grundsubstrat 5 beseitigt werden kann. Daher ist dieses Verfahren auch besonders kostengünstig.
Abschließend kann optional eine naßchemische Reinigung und/oder eine Reinigung mit weichen Bürsten (Scrubber) zum Entfernen von eventuell verbliebenen Partikeln bzw. Resten durchgeführt werden. Dies erfolgt bevorzugt in Anwesenheit einer stark verdünnten Flußsäure (HF) oder verdünntem
Ammoniak unter Einwirkung von Ultraschall bzw. Megaschall.
Die Reinigungswirkung des Flüssigkeitsstrahls beruht auf mehreren sich ergänzenden Komponenten. Die Hauptwirkung wird durch die Impulseinwirkung des Flüssigkeitsstrahles erzielt. Dabei brechen die auf der Schichtoberfläche aufgewachsenen Ätzrückstände ab und können dadurch von der die Schichtoberfläche überstreichenden Flüssigkeit, die entlang der Oberfläche einen Flüssigkeitsstrom bildet, fortgetragen werden. Durch den am Grundsubstrat bzw. an der
Substratoberfläche vorbeistreichenden Flüssigkeitsstrom wird eine Reibungskraft erzeugt, die zu einem Forttragen der Ätzrückstände führt. Diese Reibungskraft hängt von der Geschwindigkeit der Flüssigkeitsmoleküle ab, so daß es aufgrund der in unmittelbarer Nähe der Schichtoberfläche ruhenden Flüssigkeitsschicht dazu kommen kann, daß die
Reibungskraft zum Entfernen von fest anhaftenden und relativ kleinen Ätzrückständen nicht mehr ausreicht. Wird die
Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls 45 entsprechend erhöht, führt dies zu zwei die Reinigungswirkung unterstützenden Effekten. Zum einen gleiten die
Flüssigkeitsmoleküle mit höherer Geschwindigkeit über die
Schichtoberfläche und führen dadurch zu einer höheren
Reibungskraft. Andererseits treffen die Flüssigkeitsmoleküle aus dem Flüssigkeitsstrahl 45 mit hoher Geschwindigkeit auf die Substratoberfläche, so daß die Flüssigkeitsmoleküle zumindest in diesem Bereich bis zu dem an der Oberfläche anhaftenden und weitestgehend ruhenden Flüssigkeitsfilm gelangen und dort ebenfalls eine Flüssigkeitsströmung herbei- führen. Die Dicke des ruhenden Flüssigkeitsstroms wird somit verringert, so daß bereits nach kurzer Entfernung von der Schichtoberfläche ein starker, die Ätzrückstände forttragender Flüssigkeitsstrom herrscht. Auch das Anlösen von Lackresten 35 durch das warme organische Lösungsmittel ist entschei- dend.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zum gemeinsamen Strukturieren eines Schichtenstapels 55 verwendet werden, der z.B. aus einer Barrierenschicht 15, einer Platinschicht 20 sowie einer metalloxidhaltigen Schicht 60 besteht. Derartige Schichtenstapel 55 werden beispielsweise zur Herstellung von Halbleiterspeichern verwendet. Die metalloxidhaltige Schicht 60 besteht bevorzugt aus einem Material der allgemeinen Form ABOx oder BOx, wobei A für zumindestens ein Metall aus der Gruppe Barium, Strontium, Niob, Blei, Zirkon, Lanthan, Wismut, Kalzium und Kalium, B für Titan, Ruthenium oder Tantal und 0 für Sauerstoff steht. X liegt zwischen 2 und 12. Vertreter dieser Stoffklassen sind beispielsweise Strontium- Wismut-Tantalat (SrBi2Ta209) und Tantaloxid (Ta205) . Die beim Ätzen dieses Schichtenstapels 55 entstehenden Materialablagerungen 30 können nach dem Veraschen der Ätzmaske 25 auch zueinander leicht geneigt sein. Dies ist in Figur 2 dargestellt. Die unter dem Schichtenstapel 55 befindliche Schicht 10, die bevorzugt aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid besteht, wirkt beim Ätzen des Schichtenstapels 55 gleichzeitig als Ätzstoppschicht.
In Figur 3 sind die Materialablagerungen 30 infolge des ge- meinsamen Ätzens einer weiteren Platinschicht 62 und der metalloxidhaltigen Schicht 60 dargestellt.
Das Strukturieren der Platinschicht 20 bzw. des Schichtenstapels 55 erfolgt bevorzugt in einer Reinigungska mer 65, die in der Figur 5 dargestellt ist. Diese weist eine Schleuse 70 zum Einführen des Grundsubstrats 75 in die Reinigungskammer 65 auf. Weiterhin ist die Reinigungskammer 65 mit einer hier nicht näher dargestellten Pumpe über einen Absaugstutzen 80 verbunden über diese Pumpe kann z.B. auch das Reinigungsmedi- um (Flüssigkeitsstrahl) abgesaugt und dem Reinigungsprozeß ressourcensparend wieder zugeführt werden. Das Grundsubstrat 75 liegt auf einem beheizbaren Substratträger 85, der über eine Heizung 90 beheizt wird. In der Prozeßkammer 65 sind weiterhin bewegbare Düsen 40 angeordnet, die rasterförmig bzw. radial das Grundsubstrat 75 überstreichen können.
Die Flüssigkeit zum Entfernen der Ätzrückstände 30 wird den Düsen 40 über eine Druckleitung 100 zugeführt. Diese, wie auch das Reservoir 95 und die Düsen 40, sind von einer Heiz- Vorrichtung 50 in Form von elektrischen Heizwendeln zum Erwärmen des Flüssigkeit umgeben.
Gemäß Figur 4 ist die Reinigungskammer 65, die hier die erfinderische Vorrichtung darstellt, mit der Ätzkammer 110 zu einem sogenannten Cluster tool zusammengefaßt. Das Grundsub- strat 75 wird von einer Inputstation über eine Transportstation 115, in der ein reduzierter Druck herrscht, in die Ätzkammer 110 transportiert. Nach dem Ätzen wird die Maske in einer sogenannten Strip-kammer 120 entfernt und durch eine weitere Transportstation 116, in der bevorzugt etwa atmosphärischer Druck herrscht, zur Reinigungskammer 65 überführt. Sofern auf ein Veraschen der Maske verzichtet werden kann, wird keine Stripkammer 120 benötigt und die weitere Transportstation 116 kann als Trockensystem ausgeführt werden.
Bezugszeichenliste
5 Grundsubstrat / Substrat
10 Oxid- oder Nitridschicht 15 Barrierenschicht / Titannitrid-Schicht
20 Metallschicht / Platinschicht
25 Ätzmaske
30 Ätzrückstände / Materialablagerungen
32 Ätzflanken 35 Rückstände
40 Düse
45 Flüssigkeitsstrahl
50 Heizvorrichtung
55 Schichtenstapel 60 metalloxidhaltige Schicht
62 weitere Metallschicht / Platinschicht
65 Reinigungskammer 0 Schleuse 5 Grundsubstrat 0 Absaugstutzen 5 Substratträger 0 Heizung 5 Reservoir 00 Druckleitung 10 Ätzkammer 15 Transportstation 16 Weitere Transportstation 20 Stripkammer

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Strukturieren einer Schicht mit folgenden Schritten: - ein Substrat (5) mit zumindest einer dauerhaft zu strukturierenden Schicht (15, 20, 60, 62) wird bereitgestellt;
- auf diese Schicht (15, 20, 60, 62) wird eine Ätzmaske (25) aus einem Lackmaterial aufgebracht;
- die Schicht (15, 20, 60, 62) wird mittels eines Ätzverfah- rens mit hoher physikalischer Ätzkomponente unter Verwendung der Ätzmaske (25) geätzt, so daß dabei sehr steile Ätzflanken (32) in der Schicht (15, 20, 60, 62) geschaffen werden, wobei durch das Ätzen zumindest auf der Schicht
(15, 20, 60, 62) bzw. auf dem Substrat (5) festhaftende und mechanisch relativ stabile Materialablagerungen (30) entstehen, die weitestgehend umverteiltes und abgetragenes Material der Schicht (15, 20, 60, 62) enthalten und die Ätzrückstände (30) darstellen; und
- die Schicht (15, 20, 60, 62) wird nachfolgend mit einem auf die Schicht (15, 20, 60, 62) gerichteten Flüssigkeitsstrahl
(45) eines organischen Lösungsmittels gereinigt, durch den dabei die Ätzrückstände (30) und gegebenenfalls die Ätzmaske (25) weitestgehend von der Schicht (15, 20, 60, 62) entfernt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ausschließlich physikalisches Ätzverfahren verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen der physikalischen Ätzkomponente Argonionen verwendet werden.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsstrahl (45) mit einem Druck von 20 bis 150 bar durch zumindest eine auf die Schicht (15, 20, 60, 62) ge- richtete Düse (40) gepreßt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsstrahl (45) ein die Ätzmaske (25) angreifende oder lösende Substanz enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz N-Methylpyrrolidon ist.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterstützend zum Entfernen der Ätzrückstände (30) durch den Flüssigkeitsstrahl (45) die Ätzmaske (25) zuvor zumindest teilweise entfernt wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzmaske (25) zumindest teilweise durch ein Veraschen des Ätzmaskenmaterials oder durch einen naßchemischen Abtrag entfernt wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Entfernen der Ätzrückstände (30) eine abschließende Reinigung durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die abschließende Reinigung unter Einwirkung von Ultraschall oder Megaschall erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) eine Ätzstoppschicht (10, 15) aufweist.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (15, 20, 60, 62) zumindest eine Metallschicht
(20, 62) und/oder zumindest eine metalloxidhaltige Schicht
(60) aufweist.
13. Vorrichtung zum Entfernen von Ätzrückständen von einer
Schicht, wobei
- die Vorrichtung (65) mit einer Ätzkammer (110) verunreinigungsdicht verbindbar ist, - ein Substrat (5) mit der zu ätzenden Schicht (15, 20, 60,
62) von der Ätzkammer (110) zur Vorrichtung (65) einführbar ist; und
- die Vorrichtung (65) zumindest eine auf die Schicht (15, 20, 60, 62) richtbare Düse (40) zum Formen zumindest eines gerichteten Flüssigkeitsstrahls (45) aufweist, der zum Entfernen von Ätzrückständen (30) und gegebenenfalls einer Ätzmaske (25) von der Schicht (15, 20, 60, 62) und dem Substrat (5) dient, wobei die Düse (40) und die Schicht (15, 20, 60, 62) relativ zueinander bewegbar sind und die Düse (40) zum Formen eines Hochdruckflüssigkeitsstrahls (45) von mindestens 20 bar geeignet ist.
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