NL1009201C2

NL1009201C2 - Werkwijze voor het etsen van een tantaaloxide-laag.

Info

Publication number: NL1009201C2
Application number: NL1009201A
Authority: NL
Inventors: Yi-Chun Chang
Original assignee: United Microelectronics Corp
Priority date: 1998-05-06
Filing date: 1998-05-19
Publication date: 1999-11-22
Also published as: GB2337361B; GB2337361A; GB9809657D0

Description

Werkwijze voor het etsen van een tantaaloxide-laag ACHTERGROND VAN DE UITVINDING Gebied van de uitvinding

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het etsen van een tantaaloxide- (Ta2Os) -laag.

5 Meer in het bijzonder heeft de onderhavige uitvinding betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen (DRAM) die het opeenvolgend etsen van een polysilicium-laag en een tantaaloxide-laag betreft voor het vormen van een patroon, zonder dat van ets-10 station behoeft te worden gewisseld.

Beschrijving van de aanverwante techniek

Een conventionele dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen- (DRAM) -structuur omvat ten minste een metaal-15 oxide-halfgeleider- (MOS) -transistor en een condensator. De gate van de transistor is verbonden met een woord-lijn en één van de source/drain-gebieden is verbonden met een bit-lijn BL. Het andere source/drain-gebied is elektrisch verbonden met een condensator, die op zijn beurt is verbonden met 20 aarde. De condensatorstructuur in een DRAM kan worden beschouwd als een kritische component in de data-opslag. Indien het aantal ladingen dat door een condensator wordt opgeslagen groot is, is het in de condensator opgeslagen data-bit stabieler. Wanneer het in de condensator opgeslagen 25 data-bit wordt uitgelezen door een versterker, kan een grotere capaciteit beter van externe ruis worden onderscheiden.

Bij halfgeleiderfabricage wordt een DRAM-condensator door middel van verschillende stappen gevormd. In de eerste 30 plaats wordt ten minste één transistorstructuur op een halfgeleider- substraat gevormd, en vervolgens wordt een opslag-node gevormd boven één van de source/drain-gebieden van de transistor, waardoor de onderste elektrodestructuur van een condensator wordt gevormd. Vervolgens worden een tantaal-35 oxide-laag, een titaannitride-laag (TiN) en een polysilicium-laag opeenvolgend over de onderste elektrodestructuur 10 09 2 0 1 2 gevormd. De titaannitride-laag wordt boven de tantaaloxide-laag gevormd, en de twee lagen vormen tezamen een samengestelde diëlektrische laag voor de condensator. De poly-silicium-laag werkt als een bovenste elektrodestructuur van 5 de condensator. Tenslotte worden de tantaaloxide-laag, de titaannitride-laag en de polysilicium-laag van een patroon voorzien voor het voltooien van de DRAM-condensatorstructuur.

Fig. l is een stroomdiagram dat de conventionele vervaardigingsstappen in het vormen van een patroon in een 10 meerlaags-condensatorstructuur toont. In de eerste plaats representeert stap 10 het begin van de operatie, waarbij de meerlaags-structuur van de condensator, die de onderste elektrodestructuur, de tantaaloxide-laag, de titaannitride-laag - en de polysilicium-laag omvat, reeds door middel van deposi- 15 tie is aangebracht. Vervolgens wordt stap 12 uitgevoerd door het eerst uitvoeren van een fotolithografie-operatie, en het vervolgens etsen van de polysilicium-laag voor het vormen van de bovenste elektrodestructuur van de condensator. Bij voorkeur is het etsmiddel voor het etsen van de polysilicium-laag 20 een gasmengsel dat HBr/Cl2/He-02 bevat. Hierna wordt een wisseling van etsstation uitgevoerd in stap 14. De wisseling is noodzakelijk, aangezien het etsmiddel voor het etsen van de polysilicium-laag ongeschikt is voor het etsen van de tantaaloxide-laag en de titaannitride-laag. Vervolgens wordt 25 stap 16 uitgevoerd voor het etsen van de titaannitride-laag en de tantaaloxide-laag (TiN/Ta2Os), waardoor de samengestelde diëlektrische laag van de condensator van een patroon wordt voorzien.

Bij het van een patroon voorzien van de tantaal-30 oxide-laag, de titaannitride-laag en de polysilicium-laag treden vaak een aantal problemen op. Het meest ernstige probleem treedt op wanneer het etsen van de polysilicium-laag is beëindigd, en de titaannitride-laag vervolgens moet worden geëtst. Het etsmiddel voor het etsen van de polysilicium-laag 35 is een gasmengsel dat HBr/Cl2/He-02 bevat, dat ongeschikt is voor het etsen van titaannitride. Daarom moet zowel van ets--i station als van etsmiddelen worden gewisseld, voordat het _j daaropvolgende etsen van de titaannitride-laag en het tan- I taaloxide kan worden uitgevoerd. Dit schakelen tussen proces- <10092 0 1 3 station en etsmiddelen verhoogt het aantal processtappen. Bovendien kan een hoeveelheid rest-etsmiddel dat is gebruikt bij het etsen van de polysilicium-laag worden overgebracht naar de volgende ets-operatie. Wanneer dit in contact komt 5 met de titaannitride-laag kan enige metallische-iondissocia-tie optreden. Bijgevolg kan de reactiekamer worden vervuild.

In het licht van het voorgaande bestaat er een noodzaak voor het verbeteren van het proces voor het etsen van de polysilicium-laag, de titaannitride-laag en de tan-10 taaloxide-laag.

SAMENVATTING VAN DE UITVINDING

Dienovereenkomstig voorziet de onderhavige uitvinding in een werkwijze voor het etsen van een tantaaloxide-15 laag, die innovatieve etsmiddelen gebruikt die een gasmengsel omvatten dat boortrichloride, chloor en stikstof (BC13/C12/N2) bevat. Met gebruikmaking van het gasmengsel kan de meerlaags-structuur van een condensator in een enkele etsoperatie worden geëtst; bovendien treedt er geen vervuiling van de reac-20 tiekamer op.

Teneinde deze en andere voordelen te bereiken en in overeenstemming met het doel van de uitvinding, zoals hierin belichaamd en in het algemeen beschreven, voorziet de uitvinding in een werkwijze voor het etsen van een tantaaloxide-25 laag bij de fabricage van een DRAM. De werkwijze omvat de stappen van het vormen van de onderste elektrodestructuur van een condensator op een halfgeleider-substraat en het vervolgens opeenvolgend vormen van een tantaaloxide-laag, een bar-rière-laag en een geleidende laag over het substraat en de 30 onderste elektrodestructuur. Vervolgens wordt de geleidende laag van een patroon voorzien met gebruikmaking van een eerste reactief gas dat een gasmengsel omvat van boortrichloride, chloor en stikstof (BC13/C12/N2) . Hierna wordt de barrière-laag van een patroon voorzien met gebruikmaking van 35 een tweede reactief gas dat een gasmengsel omvat van boortrichloride, chloor en stikstof (BC13/C12/N2) . Tenslotte wordt de tantaaloxide-laag van een patroon voorzien met gebruikmaking van een derde reactief gas dat een gasmengsel omvat van boortrichloride, chloor en stikstof (BC13/C12/N2) .

10 09 2 0 1 4

Men dient zich te realiseren dat zowel de voorgaande algemene beschrijving als de hierna volgende gedetailleerde beschrijving slechts als voorbeeld dienen, en zijn bedoeld om een verdere toelichting te geven van de uitvinding zoals die 5 in de conclusies is aangegeven.

KORTE OMSCHRIJVING VAN DE TEKENING

De bijgaande tekening is bijgevoegd voor het verschaffen van een verder begrip van de uitvinding, en is 10 opgenomen in en vormt een deel van deze aanvrage. De tekening toont uitvoeringsvormen van de uitvinding en dient, tezamen met de beschrijving, voor het toelichten van de principes van de uitvinding. In de tekening is fig. 1 een stroomdiagram dat de conventionele 15 vervaardigingsstappen toont in het van een patroon voorzien van een meerlaags-condensatorstructuur; zijn de fig. 2A en 2B dwarsdoorsnede-aanzichten die de voortgang toont van de vervaardigingsstappen in het van een patroon voorzien van een meerlaags-condensatorstructuur 20 (die een tantaaloxide-laag bevat) op een condensator in overeenstemming met een voorkeursuitvoeringsvorm van deze uitvinding ; en is fig. 3 een stroomdiagram dat de stappen toont van het van een patroon voorzien van een meerlaags- condensator-25 structuur in overeenstemming met de voorkeursuitvoeringsvorm van deze uitvinding.

BESCHRIJVING VAN DE VOORKEURSUITVOERINGSVORMEN

Er zal nu in detail worden verwezen naar de huidige 30 voorkeursuitvoeringsvormen van de uitvinding, waarvan voorbeelden zijn weergegeven in de bijgaande tekening. Waar moge-lijk worden dezelfde verwijzingscijfers in de tekening en de beschrijving gebruikt voor het verwijzen naar dezelfde of gelijksoortige delen.

35 De uitvinding voorziet in een innovatief etsmiddel dat een gasmengsel omvat van boortrichloride, chloor en stikstof (BC13/C12/N2) . De kenmerkende eigenschap van dit etsmiddel is dat het polysilicium, titaannitride (TiN) en tantaal-oxide (Ta205) kan etsen. Daarom kan een enkele etsoperatie 1 0 09 2 0 1 5 worden toegepast voor het vormen van dë meerlaags-structuur van een condensator. Bovendien is het met de werkwijze moge-lijk om ernstige vervuiling van de reactiekamer te reduceren.

De fig. 2A en 2B zijn dwarsdoorsnede-aanzichten die 5 de voortgang tonen van de vervaardigingsstappen in het maken van een patroon van een meerlaags-condensatorstructuur (die een tantaaloxide-laag omvat) op een condensator in overeenstemming met een voorkeursuitvoeringsvorm van deze uitvinding. In de eerste plaats wordt, zoals is getoond in fig. 2A, 10 een van een patroon voorziene isolatie-laag 21 over een halfgeleider- substraat 20 gevormd. Vervolgens wordt de onderste elektrodestructuur 22 van een condensator, bijvoorbeeld een polysilicium-laag, gevormd in de isolatie-laag 21 voor het elektrisch verbinden van een source/drain-gebied (niet 15 getoond) in het substraat 20. Hierna wordt een meerlaags- structuur gevormd over de onderste elektrodestructuur 22 en de isolatie-laag 21. De meerlaags-structuur wordt gevormd door het door middel van depositie aanbrengen van een dunne tantaaloxide-laag 23, een dunne titaannitride-laag 24 en een 20 polysilicium-laag 25. De titaannitride-laag 24 wordt over de tantaaloxide-laag 23 gevormd, en de twee lagen vormen tezamen een samengestelde diëlektricumstructuur. Aangezien tantaal-oxide een uitermate hoge diëlektrische constante van ongeveer 20 tot 30 bezit, is de tantaaloxide-laag 23 in staat tot het 25 verhogen van de capaciteit van de condensator. Aldus vindt de tantaaloxide-laag toepassing in het vervaardigen van een 16 M DRAM. Vervolgens wordt een fotoresist-laag 26 over de polysilicium-laag 25 gevormd.

Vervolgens worden, zoals is getoond in fig. 2B, 30 fotolithografie- en ets-operaties uitgevoerd met gebruikmaking van de fotoresist-laag 26 als een masker. De polysilicium-laag 25, de dunne titaannitride-laag 24 en de dunne tantaaloxide-laag 23 worden opeenvolgend geëtst met gebruikmaking van het kenmerkende etsmiddel van deze uitvinding. Het 35 etsmiddel is een gasmengsel dat boortrichloride, chloor en stikstof (BC13/C12/N2) omvat. De bestanddelen van het gasmengsel worden samengemengd in een verhouding in overeenstemming met de onderstaande tabel l.

10 09 2 0 1 i 6

Tabel 1: Relatieve gasstroomsnelheid van gasvormige bestanddelen voor het etsen van polysilicium, titaannitride en tantaaloxide.

' 5 Bestanddelen (qasvormig)_Gasstroomsnelheid (eenheid:sccm)

Chloor (Cl2) 20-80

Boortrichloride (BC13) 20-80

Stikstof (N,)_20-80_ 10 In tabel 1 verwijst de eenheid sccm naar de gas stroomsnelheid in standaard kubieke centimeter per minuut, en i heeft elk bestanddeel in het gasmengsel een bepaalde functie.

Bijvoorbeeld, chloor Cl2 is een belangrijk reactief gas voor etsen, boortrichloride BC13 wordt gebruikt als een middel voor 15 het uitvoeren van een fysisch bombardement, en het gasvormige d stikstof functioneert als een zijwandpassiveringsmateriaal.

Fig. 3 is een stroomdiagram dat de stappen toont voor het maken van het patroon van een meerlaags- condensa-torstructuur in overeenstemming met de voorkeursuitvoerings-20 vorm van deze uitvinding. In de eerste plaats representeert stap 30 het begin van de operatie, waarbij de meerlaags-structuur van de condensator, die de onderste elektrodestruc-tuur, de tantaaloxide-laag, de titaannitride-laag en de poly-silicium-laag omvat, reeds door middel van depositie is aan-25 gebracht. Vervolgens wordt stap 32 uitgevoerd door het eerst uitvoeren van een fotolithografie-operatie, en het vervolgens etsen van de polysiliciium-laag voor het vormen van de bovenste elektrodestructuur van de condensator. Het etsmiddel voor het etsen van de polysilicium-laag is bij voorkeur een gas-30 mengsel van boortrichloride, chloor en stikstof (BC13/C12/N2) . Vervolgens wordt stap 34 uitgevoerd, het etsen van de titaannitride-laag en de tantaaloxide-laag (TiN/Ta203) voor het vormen van de samengestelde diëlektricumstructuur van de condensator. Het etsmiddel voor het etsen van de polysilicium-laag 35 is bij voorkeur een gasmengsel van boortrichloride, chloor en stikstof (BClj/Cl2/N2) . Aldus wordt een volledige condensator-structuur in een enkele ets-operatie gevormd met gebruikmaking van het gasmengsel dat boortrichloride, chloor en H stikstof bevat.

1009 2 0 1 7

Samengevat bezit de werkwijze voor het etsen van een tantaaloxide-laag die door deze uitvinding wordt verschaft, de volgende voordelen: (1) Het door deze uitvinding verschafte etsmiddel, 5 namelijk een gasmengsel met de bestanddelen BC13/C12/N2, is in staat tot het etsen van een polysilicium-laag, een titaan-nitride-laag en een tantaaloxide-laag voor het vormen van een uniform patroon.

(2) Het door deze uitvinding verschafte etsmiddel, 10 namelijk een gasmengsel met de bestanddelen BC13/C12/N2, is in staat tot het in een enkele etsoperatie etsen van een patroon in een meerlaags-structuur. Daardoor wordt bespaard op processtappen.

(3) Het in deze uitvinding gebruikte etsmiddel dis-15 socieert geen metallische ionen in contact met een titaan- nitride-laag. Daardoor wordt vervuiling van de reactiekamer aanzienlijk gereduceerd.

Het zal duidelijk zijn aan deskundigen dat verschillende modificaties en variaties kunnen worden uitgevoerd 20 op de structuur van de onderhavige uitvinding, zonder af te wijken van het kader van de uitvinding. Met het oog op het voorgaande is het de bedoeling dat de onderhavige uitvinding modificaties en variaties van deze uitvinding dekt, voorzover deze binnen het kader vallen van de bijgaande conclusies en 25 hun equivalenten.

10 09 2 0 1

Claims

1. Werkwijze voor het etsen van tantaaloxide, welke werkwijze de stappen omvat van: het verschaffen van een halfgeleider-substraat en het vervolgens opeenvolgend vormen van een eerste geleidende 5 structuur, een diëlektrische laag en een tweede geleidende I laag over het substraat; _ het uitvoeren van fotolithografie- en ets-operaties, s waarbij het opeenvolgend van een patroon voorzien van de ' tweede geleidende laag en de diëlektrische laag wordt bereikt 10 door gebruik te maken van een reactief gas dat boortrichloride (BC13) omvat.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de stap van het vormen van de diëlektrische laag het door middel van depositie aanbrengen van tantaaloxide (Ta205) omvat.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de stap van het vormen van de tweede geleidende laag het door middel van depositie aanbrengen van polysilicium omvat.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de stroomsnelheid van het gasvormige boortrichloride (BCl3) in het reac- 20 tieve gas ongeveer 20 tot 80 sccm bedraagt.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het reac-tieve gas verder chloor (Cl2) omvat, en de stroomsnelheid van het gasvormige chloor ongeveer 20 tot 80 sccm bedraagt.

6. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het reac- 25 tieve gas verder stikstof (N2) omvat, en de stroomsnelheid van het gasvormige stikstof ongeveer 20 tot 80 sccm bedraagt.

7. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het reac-tieve gas een gasmengsel van boortrichloride, chloor en stikstof (BC13/C12/N2) omvat.

8. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de stroom snelheid van het gasvormige boortrichloride (BC13) in het reac-tieve gas ongeveer 20 tot 80 sccm bedraagt.

9. Werkwijze volgens conclusie 1, welke verder, na | het vormen van de diëlektrische laag, voorziet in het door i j 35 middel van depositie aanbrengen van een barrière-laag over de diëlektrische laag voorafgaand aan het door middel van deposi- J 1 0 09 201 tie aanbrengen van de tweede geleidende laag, en het vervolgens van een patroon voorzien van de barrière-laag met gebruikmaking van een reactief gasmengsel dat boortrichloride, chloor en stikstof (BC13/C12/N2) omvat.

10. Werkwijze volgens conclusie 9, waarbij de stap van het vormen van de barrière-laag het door middel van depositie aanbrengen van titaannitride (TiN) omvat.

11. Werkwijze voor het etsen van tantaaloxide, waarbij de werkwijze geschikt is voor het vervaardigen van een 10 dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen, welke werkwijze de stappen omvat van: het verschaffen van een halfgeleider-substraat, het vormen van de onderste elektrodestructuur van een condensator, en het vervolgens opeenvolgend door middel van depositie aan- 15 brengen van een tantaaloxide-laag, een barrière-laag en een geleidende laag over het substraat en de onderste elektrodestructuur; het uitvoeren van fotolithografie- en ets-operaties, waarbij het opeenvolgend van een patroon voorzien van de ge- 20 leidende laag, de barrière-laag en de tantaaloxide (Ta205)-laag wordt bereikt door gebruik te maken van een reactief gas dat boortrichloride (BCl3) omvat.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, waarbij de stap van het vormen van de barrière-laag het door middel van depo- 25 sitie aanbrengen van titaannitride (TiN) omvat.

13. Werkwijze volgens conclusie 11, waarbij de stap van het vormen van de geleidende laag het door middel van depositie aanbrengen van polysilicium omvat.

14. Werkwijze volgens conclusie 11, waarbij de 30 stroomsnelheid van het gasvormige boortrichloride (BCl3) in het eerste reactieve gas ongeveer 20 tot 80 sccm bedraagt.

15. Werkwijze volgens conclusie 11, waarbij het reactieve gas verder chloor (Cl2) omvat, en de stroomsnelheid van het gasvormige chloor ongeveer 20 tot 80 sccm bedraagt.

16. Werkwijze volgens conclusie 11, waarbij het reac tieve gas verder stikstof (N2) omvat, en de stroomsnelheid van het gasvormige stikstof ongeveer 20 tot 80 sccm bedraagt.

17. Werkwijze volgens conclusie 11, waarbij het reactieve gas een gasmengsel van boortrichloride, chloor en stik- 40 stof (BC13/C12/N2) omvat. 1 009 201