WO2003100843A2 - Ätzgas und verfahren zum trockenätzen - Google Patents

Ätzgas und verfahren zum trockenätzen

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    • H10P50/28—Dry etching; Plasma etching; Reactive-ion etching of insulating materials
    • H10P50/282—Dry etching; Plasma etching; Reactive-ion etching of insulating materials of inorganic materials
    • H10P50/283—Dry etching; Plasma etching; Reactive-ion etching of insulating materials of inorganic materials by chemical means

Definitions

  • the invention relates to an etching gas according to the preamble of claim 1 and a method for dry etching according to the preamble of claim 4.
  • the semiconductor substrate has different layers which are structured using a dry etching process.
  • the areas of the layers that are not to be structured by the dry etching process are protected by a lacquer layer (resist layer).
  • This resist layer is increasingly thin, since the structures to be produced are becoming smaller and smaller. Since the etching times are becoming longer and longer, especially for the production of deep structures (e.g. deep trenches in DRAM memory cells), the selectivity for the etching of the mask, in particular the resist layer, is of great importance. Ideally, the resist layer should not be attacked by the dry etching (i.e. there is an infinite selectivity). In known dry etching processes, the high selectivity required is not achieved. This applies particularly to the dry etching of SiN layers or related materials, e.g. SiON. The same problem arises in the production of other components on semiconductor substrates, such as Logic devices.
  • the present invention has for its object to provide an etching gas for a dry etching process with which a high selectivity with respect to a resist layer is achieved. This object is achieved by an etching gas with the features of claim 1.
  • An etching gas according to the invention for the production of a semiconductor module by means of a dry etching process has at least a proportion of C x F y H z gas.
  • the etching gas has at least a portion of C 5 F 8 , C 4 F 6 , C 4 F 8 and / or C 2 F 4 H 2 (ie the hydrogen portion can also be zero).
  • the etching gas has a molar proportion of hydrogen which is greater than the molar proportion of the C x F y H z gas. It has surprisingly been found that such an etching gas has a very high selectivity towards resist layers. This applies in particular to resists that are used at exposure wavelengths of 193 n or 157 nm. Due to the high selectivity, the resist layer thicknesses can be chosen to be small. A reduced side wall roughness was also found on the resist flanks.
  • the molar proportion of hydrogen is three times, in particular ten times, greater than the molar proportion of the C x F y H z gas. At such ratios, essentially infinite selectivity can be achieved since resists are not attacked.
  • the etching gas according to the invention has a portion of a carrier gas, in particular argon.
  • the object is also achieved by a method according to claim 4.
  • an etching gas with at least a proportion of C x F y H z gas; in particular at least a proportion of C 5 F 8 , C 4 F 6 , CF 8 and / or C 2 F 4 H 2 is used.
  • the etching gas has a molar proportion of hydrogen which is greater than the molar proportion of the C x F y H z gas.
  • An SiN, SiON and / or oxide layer is advantageously etched.
  • the dry etching process is advantageously designed as a RIE process, MERIE process, a process with inductively coupled sources, a process with dual frequency sources, a process with ECR sources or a process with helicon sources.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a MERIE etching with an etching gas according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the result of the etching according to the invention according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a drawing of an enlarged image of an etching process using a known method
  • Fig. 4 is a tracing of an enlarged picture of an etching process with the inventive method.
  • the layer to be structured is to be processed using a dry etching method known in principle (MERIE: magnetically enhanced reactive ion etching).
  • MERIE magnetically enhanced reactive ion etching
  • etching gas a gaseous medium
  • RIE reactive ion etching
  • MERIE reactive ion etching
  • layer 1 is to be structured using a MERIE method as part of the production of a DRAM with a deep trench.
  • the method described below can also be used for other components (e.g. flash memory, microprocessors, ASIC) and other dry etching methods.
  • a lacquer layer 10 (resist) with an initial thickness A has been applied to the layer 1 to be structured.
  • the resist layer 10 covers the areas of the layer 1 to be structured that are not to be etched.
  • the gas molecules of the etching gas according to the invention are shown in the area above the resist layer 10.
  • the etching gas has a proportion of C x F y H z gas. These compounds are usually only gaseous to five carbon atoms in the molecule under the operating conditions used.
  • the C x F y H z gases include C 5 F 8 , CF 6 / C 4 F 8 and C 2 FH 2 , both as aliphatic and as ring-shaped isomers. In the previous example, ring-shaped C 4 F 8
  • a proportion of hydrogen gas is added to the etching gas, the molar proportion of which is greater than that of the C x F y H z gas.
  • the molar ratio of C x F y H 2 gas to hydrogen gas is one to ten.
  • the resist layer 10 is attacked by the etching gas, so that it is necessary for long etching times, which are necessary in deep trench etching are, as a precaution, a particularly thick resist layer 10 was necessary, which is disadvantageous.
  • the resist layer 10 is not or only slightly attacked by the etching gas and the etching according to the invention, which is shown in FIG. 2.
  • Fig. 2 shows the state after the etching.
  • the layer 1 to be structured has been etched at two points down to the substrate layer 2.
  • the resist layer 10 has a final thickness B after the etching.
  • the difference between the initial thickness A and final thickness B is very small. The difference can even disappear (see Fig. 4).
  • the etching gas according to the invention has thus only etched the layer 1 to be structured, not the resist layer 10. This indicates a high selectivity, which is defined as follows:
  • C x F y H z gas ensures that atomic, reactive fluorine reacts quickly to HF, is pumped out and is therefore no longer reactive.
  • FIG. 3 shows a structure which has been produced using a known method.
  • An overlaid image X represents the state after the etching of a deep Trenches.
  • the image X is superimposed on the representation of the initial state.
  • the initial thickness A of the resist layer 10 is 299 nm
  • the final thickness B of the resist layer 10 is 186 nm (see Figure X)
  • the thickness of the resist layer 10 was reduced by 113 nm.
  • the SiM layer 1 to be etched has a thickness of 300 nm. The selectivity of the process is therefore approximately one third.
  • FIG. 4 the result of an etching process with an etching gas according to the invention is shown in FIG. 4.
  • the final state is shown by the displayed image Y. It can be seen that the resist layer 10 was not attacked, i.e. Final thickness B and initial thickness A match. The selectivity is infinite.
  • the embodiment of the invention is not limited to the preferred exemplary embodiments specified above. Rather, a number of variants are conceivable which make use of the etching gas according to the invention and the etching method according to the invention even in the case of fundamentally different types.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ätzgas für die Herstellung eines Halbleiterbausteins mittels eines Trockenätzverfahrens mit mindestens einem Anteil von CxFyHZ-Gas, insbesondere C5F8, C4F6, C4F8 und / oder C2F4H2 gekennzeichnet durch einen molaren Wasserstoff-Anteil, der größer ist als der molare Anteil des CxFyHZ-Gases. Damit wird eine hohe Selektivität in Bezug auf eine Resistschicht 10 erreicht.

Description

Beschreibung
Ätzgas und Verfahren zum Trockenätzen
Die Erfindung betrifft ein Ätzgas nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Trockenätzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
Insbesondere bei der Herstellung von DRAM-Bauelementen ist es notwendig, tiefe Strukturen in ein Halbleistersubstrat einzubringen. Wie z.B. aus der DE 100 00 003 oder der DE 198 52 763 bekannt ist, weist das Halbleitersubstrat dabei verschiedene Schichten auf, die mit einem Trockenätzverfahren strukturiert werden. Die Bereiche der Schichten, die nicht durch das Trockenätzverfahren strukturiert werden sollen, werden durch eine Lackschicht (Resistschicht) geschützt.
Diese Resistschicht wird zunehmend immer dünner ausgebildet, da die herzustellenden Strukturen immer kleiner werden. Da die Ätzzeiten gerade für die Herstellung tiefer Strukturen (z.B. Deep-Trenches bei DRAM-Speicherzellen) immer länger werden, ist die Selektivität für die Ätzung der Maske, insbesondere der Resistschicht, von großer Bedeutung. Im Idealfall soll die Resistschicht durch die Trockenätzung nicht angegriffen werden (d.h. es liegt eine unendliche Selektivität vor) . Bei bekannten Trockenätzverfahren wird die notwendige hohe Selektivität nicht erreicht . Dies gilt insbesondere bei der Trockenätzung von SiN-Schichten oder verwandten Materialien, wie z.B. SiON. Die gleiche Problematik ergibt sich auch bei der Herstellung anderer Baueleemente auf Halbleitersubstraten, wie z.B. Logikbauelementen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ätzgas für ein Trockenätzungsverfahren zu schaffen, mit dem eine hohe Selektivität in Bezug auf eine Resistschicht erreicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Ätzgas mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Ein erfindungsgemäßes Ätzgas für die Herstellung eines Halbleiterbausteins mittels eines Trockenätzverfahrens weist mindestens einen Anteil von CxFyHz-Gas auf. Insbesondere weist das Ätzgas mindestens einen Anteil C5F8, C4F6, C4F8 und / oder C2F4H2 auf (d.h. der Wasserstoffanteil kann auch Null sein) . Erfindungsgemäß weist das Ätzgas einen molaren Wasserstoff- Anteil auf, der größer ist, als der molare Anteil des CxFyHz- Gases . Es hat sich überraschend gezeigt, dass ein solches Ätzgas eine sehr hohe Selektivität gegenüber Resistschichten aufweist. Dies gilt insbesondere für Resiste, die bei Belichtungswellenlängen von 193 n bzw. 157 nm verwendet werden. Durch die hohe Selektivität können die Resistschichtdicken klein gewählt werden. Auch zeigte sich eine verminderte Seitenwandrauhigkeit an den Resistflanken.
Vorteilhaft ist es, wenn der molare Wasserstoff-Anteil dreimal, insbesondere zehnmal größer ist als der molare Anteil des CxFyHz-Gases . Bei solchen Verhältnissen kann eine im wesentlichen unendliche Selektivität erreicht werden, da Resiste nicht angegriffen werden.
Vorteilhaft ist es, wenn das erfindungsgemäße Ätzgas einen Anteil eines Trägergases, insbesondere Argon aufweist.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren nach Anspruch 4 gelöst .
Erfindungsgemäß wird ein Ätzgas mit mindestens einem Anteil von CxFyHz-Gas; insbesondere wird mindestens ein Anteil an C5F8, C4F6, CF8 und / oder C2F4H2 verwendet. Erfindungsgemäß weist das Ätzgas einen molaren Wasserstoff-Anteil auf, der größer ist, als der molare Anteil des CxFyHz-Gases . Vorteilhafterweise wird eine SiN-, SiON- und / oder Oxidschicht geätzt.
Vorteilhafterweise ist das Trockenätzverfahren als RIE- Verfahren, MERIE-Verfahren, ein Verfahren mit induktiv gekoppelten Quellen, ein Verfahren mit Dual Frequency Quellen, ein Verfahren mit ECR-Quellen oder ein Verfahren mit Helicon Quellen ausgebildet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer MERIE-Ätzung mit einem erfindungsgemäßen Ätzgas;
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Ergebnisses der erfindungsgemäßen Ätzung gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine Durchzeichnung einer vergrößerten Aufnahme eines Ätzvorgangs mit einem bekannten Verfahren;
Fig. 4 eine Durchzeichnung einer vergrößerten Aufnahme eines Ätzvorgangs mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
In Fig. 1 ist eine zu strukturierende Schicht 1 der Dicke C dargestellt, die auf Substratschichten 2, 3 aufgewachsen ist. Die zu strukturierend Schicht soll mittels eines eine eines grundsätzlich bekannten Trockenätzverfahrens (MERIE: magnetically enhanced reactive ion etching) bearbeitet werden.
Bei Trockenätzverfahren wird in grundsätzlich bekannter Weise ein gasförmiges Medium (Ätzgas) durch Gasentladung in einem hochfrequenten Wechselfeld angeregt. Die im elektrischen Feld beschleunigten Ionen des Ätzgases und angeregte Neutralteilchen übertragen ihre Energie auf die zu strukturierende Schicht 1. Beim reaktiven Ionenätzen (RIE, MERIE) findet ein chemisch/physikalischer Materialabtrag statt . Diese Trockenätzverfahren sind besonders für anisotropes Ätzen geeignet.
Im vorliegenden Beispiel soll die Schicht 1 im Rahmen der Herstellung eines DRAM mit einem Deep-Trench mit einem MERIE- Verfahren strukturiert werden. Grundsätzlich kann das nachfolgend beschriebene Verfahren auch bei anderen Bauelementenn (z.B. Flashspeicher, Mikroprozessoren, ASIC) und anderen Trockenätzverfahren angewandt werden.
Auf die zu strukturierende Schicht 1 ist eine Lackschicht 10 (Resist) mit einer Anfangsdicke A aufgebracht worden. Die Resistschicht 10 deckt die Bereiche der zu strukturierenden Schicht 1 ab, die nicht geätzt werden sollen.
In dem Bereich oberhalb der Resistschicht 10 sind die Gasmoleküle des erfindungsgemäßen Ätzgases dargestellt. Das Ätzgas weist einen Anteil an CxFyHz-Gas auf. Üblicherweise sind diese Verbindungen nur bis fünf Kohlenstoffatome im Molekül bei den verwendeten Betriebsbedingungen gasförmig. Unter die CxFyHz-Gase fallen C5F8, CF6/ C4F8 und C2FH2, sowohl als aliphatische als auch als ringförmige Isomere. Im vorligenden Beispiel wird ringförmiges C4F8
(Oktafluorcyclobutan) mit Argon als Schutzgas verwendet. In Fig. 1 ist daher nur ein CxFy Molekül symbolisch dargestellt.
Erfindungsgemäß wird dem Ätzgas ein Anteil an Wasserstoff-Gas zugesetzt, dessen molarer Anteil größer ist als der des CxFyHz-Gases ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das molare Verhältnis von CxFyH2-Gas zu Wasserstoffgas eins zu zehn.
Bei bekannten Ätzgasen und Ätzverfahren (siehe Fig. 3) wird die Resistschicht 10 durch das Ätzgas angegriffen, so dass für lange Ätzzeiten, die beim Deep-Trench-Ätzen notwendig sind, vorsorglich eine besonders dicke Resistschicht 10 notwendig war, was nachteilig ist.
Durch das erfindungsgemäße Ätzgas und das erfindungsgemäße Ätzen wird die Resistschicht 10 nicht oder nur sehr wenig angegriffen, was in Fig. 2 dargestellt ist.
Fig. 2 zeigt den Zustand nach der Ätzung. Die zu strukturierende Schicht 1 ist an zwei Stellen bis auf die Substratschicht 2 geätzt worden. Die Resistschicht 10 weist nach dem Ätzen eine Enddicke B auf. Die Differenz zwischen der Anfangsdicke A und Enddicke B ist sehr klein. Die Differenz kann sogar verschwinden (siehe Fig. 4) . Das erfindungsgemäße Ätzgas hat somit nur die zu strukturierende Schicht 1 geätzt, nicht die Resistschicht 10. Dies zeigt eine hohe Selektivität an, die wie folgt definiert ist:
Dicke der zu strukturierenden Schicht (C)
Selektivität =
Anfangsdicke (A) - Enddicke Resist (B)
Für den Fall, dass die Resistschicht 10 nicht geätzt wird, liegt sogar eine unendlich hohe Selektivität vor.
Der hohe Anteil an Wasserstoff-Gas im Verhältnis zu dem
CxFyHz-Gas sorgt dafür, dass atomares, reaktives Fluor schnell zu HF reagiert, abgepumpt wird und somit nicht mehr reaktiv wirksam wird.
In den Fig. 3 und 4 wird die Wirkungsweise des bekannten Ätzens und des erfindungsgemäßen Ätzens dargestellt.
In Fig. 3 ist eine Struktur dargestellt, die mit einem bekannten Verfahren hergestellt wurde. Dabei stellt ein eingeblendetes Bild X den Zustand nach dem Ätzen eines Deep- Trenches dar. Das Bild X ist der Darstellung des Anfangszustandes überlagert.
Die Anfangsdicke A der Resistschicht 10 beträgt 299nm, die Enddicke B der Resistschicht 10 beträgt 186 nm (siehe Bild X) , d.h. beim Ätzen des Deep-Trenches wurde die Dicke der Resistschicht 10 um 113 nm verringert. Die zu ätzende SiM- Schicht 1 weist eine Dicke von 300 nm auf. Daher beträgt die Selektivität des Verfahrens ca. ein Drittel.
Demgegenüber ist in Fig. 4 das Ergebnis eines Ätzvorgangs mit einem erfindungsgemäßen Ätzgas dargestellt. Dabei wird der Endzustand durch das eingeblendetre Bild Y dargestellt . Es ist zu erkennen, dass die Resistschicht 10 nicht angegriffen wurde, d.h. Enddicke B und Anfangsdicke A stimmen überein. Die Selektivität ist unendlich.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Ätzgas und dem erfindungsgemäßen Ätzverfahren auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.
Bezugszeichenliste
1 zu strukturierende Schicht
2 , 3 Substratschichten
10 Resistschicht
A Anfangsdicke Resistschicht
B Enddicke Resistschicht
C Dicke der zu strukturierenden Schicht
X eingeblendetes Bild des Endzustandes beim bekannten
Verfahren Y eingeblendetes Bild des Endzustandes beim erfindungsgemäßen Verfahren

Claims

Patentansprüche
1. Ätzgas für die Herstellung eines Halbleiterbausteins mittels eines Trockenätzverfahrens mit mindestens einem Anteil von CxFyHz-Gas, insbesondere C5F8, C4F6 und / oder C4F8 C F H2( gekennzeic net durch einen molaren Wasserstoff -Anteil , der größer ist als der molare Anteil des CxFyHz-Gas.
2. Ätzgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der molare Wasserstoff -Anteil dreimal, insbesondere zehnmal größer ist als der molare Anteil des CxFyHz-Gases .
3. Ätzgas nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Anteil eines Trägergases, insbesondere Argon.
4. Verfahren zur Trockenätzung, dadurch gekennzeichnet , dass ein Ätzgas nach Anspruch 1 verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass das Trockenätzverfahren als RIE- Ver fahren, MERIE-Verfahren, ein Verfahren mit Dual Frequency Quellen, ECR-Quellen oder Helicon Quellen ausgebildet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , dass als zu strukturierende Schicht 1 eine SiN- , SiON- und / oder Oxidschicht geätzt wird.
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