DE102004034223B3 - Dry etching method for producing deep trenches in capacitor manufacture comprises adjusting and controlling the volume and pressure of the gases to obtain the required selectivity of the etching method for anisotropic etching - Google Patents

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Abstract

Dry etching method comprises adjusting and controlling the volume and pressure of the gases to obtain the required selectivity of the etching method for anisotropic etching so that the relative amount of the chlorine-containing gas and the pressure of the gas is raised with increasing depth of the trench formed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trockenätzen von tiefen Gräben mit hohem Aspektverhältnis und steilen Grabenwänden, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, welches auch aus der EP 0 272 143 A2 bekannt ist. Die US 6,380,095 B1 beschreibt ein Trockenätzverfahren zum Formen von Gräben in Silizium, welches ein Gasgemisch aus bromhaltigen, fluorhaltigen, sauerstoffhaltigen Gas oder ein Gemisch aus einem chlorhaltigen, fluorhaltigen und sauerstoffhaltigen Gas verwendet. Der Sauerstoffanteil in dem Gasgemisch wird während des Ätzens eines Grabens verringert.The present invention relates to a method for dry etching of deep trenches with high aspect ratio and steep trench walls, according to the preamble of patent claim 1, which is also known from EP 0 272 143 A2 is known. The US 6,380,095 B1 describes a dry etching method for forming trenches in silicon which uses a gas mixture of bromine-containing, fluorine-containing, oxygen-containing gas or a mixture of a chlorine-containing, fluorine-containing and oxygen-containing gas. The oxygen content in the gas mixture is reduced during the etching of a trench.

Die US 5,767,018 A beschreibt ein Trockenätzverfahren für Polysilizium, welches Gasgemische aus Wasserstoffbromid und Chlor verwendet. Das Verhältnis von Wasserstoffbromid zu Chlorgas ist größer als 3. Zum Entfernen oder Ätzen von Siliziumoxydnitrid wird ein Gasgemisch aus SF6, Cl2 und He/O2 angegeben.The US 5,767,018 A describes a dry etching process for polysilicon using gas mixtures of hydrogen bromide and chlorine. The ratio of hydrogen bromide to chlorine gas is greater than 3. For removal or etching of silicon oxynitride, a gas mixture of SF 6 , Cl 2 and He / O 2 is given.

Die DE 100 16 340 Cl beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von flaschenförmigen Tiefgräben. Der Grabenbereich wird durch eine Gaszusammensetzung aus HBr, NF3 und He/O2 geätzt, zum Ätzen des unteren Bereichs wird Chlorgas hinzugefügt, um ein isotropes oder radiales Ätzen zu erreichen.The DE 100 16 340 Cl describes a method for the production of bottle-shaped deep trenches. The trench region is etched by a gas composition of HBr, NF 3 and He / O 2 , to etch the lower region, chlorine gas is added to achieve isotropic or radial etching.

Die US 5,219,485, A die US 4,717,448 und die US 5,314,573 A beschreiben Trockenätzverfahren von Siliziden, Silizium und Polysiliziden unter Verwendung von Gasgemischen aus chlorhaltigen, sauerstoffhaltigen und fluorhaltigen Gasen.The US 5,219,485, A the US 4,717,448 and the US 5,314,573 A describe dry etching of silicides, silicon and polysilicides using gas mixtures of chlorine-containing, oxygen-containing and fluorine-containing gases.

Obwohl prinzipiell auf beliebige Strukturen anwendbar, wird die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik nachfolgend in Bezug auf die Fertigung von Kondensatoren für DRAM-Speicher erläutert.Even though in principle applicable to any structures, the present Invention and the underlying problem below related to the manufacture of capacitors for DRAM memory.

Ein DRAM-Speicher besteht aus einer Vielzahl von Speicherzellen. Aus Kostengründen besteht der Bedarf so viele Speicherzellen wie möglich auf einer Chipfläche unterzubringen.One DRAM memory consists of a plurality of memory cells. Out cost reasons There is a need to accommodate as many memory cells as possible on a chip surface.

Eine Speicherzelle enthält einen Kondensator. Die in dem Kondensator gespeicherte Ladung bestimmt den logischen Zustand der Speicherstelle. Damit der logische Zustand eindeutig auslesbar ist, darf die Ladung in dem Kondensator einen minimalen Wert nicht unterschreiten. Die maximal mögliche Ladung, die in einem Kondensator gespeichert werden kann, ist proportional zur Kapazität des Kondensators. Die Kapazität hingegen nimmt mit abnehmender Fläche der sich elektrisch effektiven Kondensatorflächen ab. Daraus ergibt sich als Anforderung, dass die Fläche eines Kondensators einen minimalen Wert nicht unterschreiten darf.A Memory cell contains a capacitor. The charge stored in the capacitor determines the logical state of the memory location. Thus the logical state is clearly readable, the charge in the capacitor may be a do not fall short of minimum value. The maximum possible charge, which can be stored in a capacitor is proportional to the capacity of the capacitor. The capacity on the other hand, with decreasing surface, the electrically effective one decreases capacitor surfaces from. It follows as a requirement that the area of a Capacitor must not fall below a minimum value.

Aufgrund der zunehmenden Integration und der eben genannten Anforderung werden die lateralen Abmessungen der Speicherzellen und damit auch die lateralen Abmessungen der Kondensatoren immer geringer, dennoch soll die Gesamtkapazität nicht zu stark sinken. Die Kondensatoren werden vertikal aufgebaut. Die vertikale Abmessung der Kondensatoren wird derart erhöht, dass bei kleiner werdenden lateralen Abmessungen des Kondensators die Kondensatorfläche konstant bleibt. Damit ergibt sich ein immer größeres Verhältnis der vertikalen zu der lateralen Abmessung. Dieses Verhältnis der vertikalen Abmessungen zu den lateralen Abmessungen wird allgemein als Aspektverhältnis bezeichnet.by virtue of the increasing integration and the just mentioned requirement the lateral dimensions of the memory cells and thus the lateral dimensions of the capacitors getting smaller, yet should not the total capacity sink too much. The capacitors are built up vertically. The vertical dimension of the capacitors is increased such that with decreasing lateral dimensions of the capacitor the capacitor area remains constant. This results in an ever larger ratio of the vertical to the lateral dimension. This ratio the vertical dimensions to the lateral dimensions becomes general as an aspect ratio designated.

Ein allgemein bekannter Kondensator der Halbleitertechnologie ist vertikal in ein Halbleitersubstrat eingebettet. Dazu wird in einem Herstellungsverfahren des Kondensators in einem ersten Schritt ein Graben in das Halbleitersubstrat geätzt. Der Graben legt die vertikale und die laterale Abmessung des Kondensators fest. Für die gewünschte zunehmende Integration müssen daher Gräben mit größerem Aspektverhältnis geätzt werden. Dies wird durch anisotropes Ätzen erreicht, bei dem in vertikaler Richtung, also in die Tiefe des Halbleitersubstrats geätzt wird.One Well-known capacitor of the semiconductor technology is vertical embedded in a semiconductor substrate. This is done in a manufacturing process of the capacitor in a first step digging into the semiconductor substrate etched. The trench defines the vertical and lateral dimensions of the capacitor firmly. For the desired increasing integration therefore trenches etched with a larger aspect ratio. This is done by anisotropic etching achieved, in which in the vertical direction, ie in the depth of Etched semiconductor substrate becomes.

Für einen Neigungswinkel von 90° ergibt sich die maximal mögliche Kapazität des Kondensators. Daher soll der Graben so geätzt werden, dass die Grabenwände senkrecht zur Halbleitersubstratoberfläche sind.For one Tilt angle of 90 ° results the maximum possible capacity of the capacitor. Therefore, the trench should be etched so that the trench walls are vertical to the semiconductor substrate surface are.

Beim anisotropen Trockenätzen wird unter Zuhilfennahme der im Plasma erzeugten Ionen und eine sich einstellenden Eigenspannung (DC-Bias) eine senkrecht zur Waferebene gerichtete Vorzugsrichtung eingestellt mit denen die Ionen auf das zu ätzende Halbleitersubstrat auftreffen. In einem Graben sollten die in den Graben eintretenden Ionen und Radikale möglichst nicht die zu ihrer Bewegungsrichtung parallel angeordneten Grabenwände berühren, um die Grabenwände nicht isotrop zu ätzen. Hingegen sollten die Ionen und Ätzradikale den Grabenboden erreichen und dort den anisotropen Ätzfortschritt herstellen.At the anisotropic dry etching is under the aid of the plasma-generated ions and a self-adjusting residual stress (DC bias) one perpendicular to the wafer plane directional preferred direction set by which the ions on the too corrosive Impact semiconductor substrate. In a ditch should be in the Digging incoming ions and radicals as possible not to their Movement direction parallel trench walls touch, not to the trench walls etch isotropically. On the other hand, the ions and etching radicals should be reach the bottom of the trench and establish the anisotropic etch progress there.

Zusätzlich kann durch den Einsatz von die Seitenwand passivierenden Gasbeimischungen eine laterale Ätzung effektiv verhindert werden.In addition, can through the use of the sidewall passivating gas admixtures a lateral etching effectively prevented.

Beim Ätzen eines Grabens in ein Halbleitersubstrat werden reaktive Ätzgase in den Graben transportiert. Die Ätzgase reagieren mit dem Halbleitersubstrat und erzeugen hierbei vorzugsweise gasförmige Ätzprodukte. Die Ätzprodukte sind müssen möglichst schnell aus dem Graben entweichen. Ein Anteil der in den Graben eintretenden Ätzgase wird allerdings unerwünschterweise an den sich noch im Graben befindlichen oder gerade aus dem Graben austretenden Ätzprodukten gestreut. Die gestreuten Ätzgase bewegen sich nun typischerweise nicht mehr parallel zu den Grabenwänden, mit der Folge, dass die Grabenwände geätzt werden. Die Wahrscheinlichkeit für ein Molekül des Ätzgases an einem Molekül der Ätzprodukte gestreut zu werden steigt mit einer Weglänge die das Molekül des Ätzgases in dem Graben zurücklegt. Daraus folgt, dass mit zunehmender Tiefe des Grabens ein zunehmender Anteil der Ätzgase die Grabenwände berührt, mit der Folge, dass die Grabenwände dann verstärkt geätzt werden. Gleichzeitig fehlt dadurch ein Anteil der Radikale zum Ätzen des Grabenbodens. Es sinkt also die vertikale Ätzrate mit zunehmender Tiefe des Grabens. Der anisotrope Charakter des Trockenätzverfahrens verringert sich somit mit zunehmender Tiefe des Grabens. Das ganze Problem kann mit dem Knudsentransportmodell beschrieben werden.When etching a trench into a semiconductor substrate, reactive etching gases are transported into the trench. The etching gases react with the semiconductor substrate and in this case preferably produce gaseous etching products. The etching products must escape as quickly as possible from the trench. One However, the proportion of the etching gases entering the trench is undesirably scattered at the etch products still in the trench or just emerging from the trench. The scattered etching gases now typically no longer move parallel to the trench walls, with the result that the trench walls are etched. The probability for a molecule of the etching gas to be scattered on a molecule of the etching products increases with a path length that covers the molecule of the etching gas in the trench. It follows that with increasing depth of the trench, an increasing proportion of the etching gases touches the trench walls, with the result that the trench walls are then etched more intensively. At the same time, it lacks a proportion of the radicals for etching the trench bottom. Thus, the vertical etch rate decreases with increasing depth of the trench. The anisotropic nature of the dry etching process thus decreases with increasing depth of the trench. The whole problem can be described with the Knudsen transport model.

In der US 2001/045354 ist ein Verfahren zum Trockenätzen von Gräben in siliziumhaltige Halbleitersubstrate beschrieben. Das Halbleitersubstrat wird durch ein Plasma geätzt, welches als Ätzgas HBr enthält. Die Grabenwandpassivierung wird hier durch den Gasanteil von NF3 und O2 in dem Plasma gesteuert. Mit dem entsprechend der US 2001/045354 beschriebenen Verfahren können Gräben mit einem maximalen Aspektverhältnis von 14 hergestellt werden (siehe dort 3). Für zukünftige hochintegrierte Halbleiterbauelemente werden aber Aspektverhältnisse der Gräben von 30 und mehr benötigt. Für solch hohe Aspektverhältnisse ist aber das in der US 2001/045354 beschriebene Verfahren nicht geeignet.US 2001/045354 describes a method for dry etching trenches in silicon-containing semiconductor substrates. The semiconductor substrate is etched by a plasma containing HBr as the etching gas. The trench wall passivation is here controlled by the gas fraction of NF 3 and O 2 in the plasma. With the method described according to US 2001/045354 trenches can be produced with a maximum aspect ratio of 14 (see there 3 ). For future highly integrated semiconductor devices, aspect ratios of the trenches of 30 and more are needed. However, the method described in US 2001/045354 is not suitable for such high aspect ratios.

In der US-Patentschrift US 5,314,573 A ist ein Verfahren zum Ätzen von siliziumhaltigen Materialien beschrieben, welches ein Plasma mit einem chlorhaltigen Gas zum Ätzen verwendet. Plasmen mit chlorhaltigen Ätzgasen ätzen stärker isotrop, als dies Plasmen mit bromhaltigen Ätzgasen tun. Daher ist nicht zu erwarten, dass mit dem in der US-Patentschrift 5,314,573 A beschriebenen Verfahren Gräben mit einem hohen Aspektverhältnis hergestellt werden können.In the US patent US 5,314,573 A For example, a method of etching silicon-containing materials using a plasma with a chlorine-containing gas for etching is described. Plasmas with chlorine-containing etching gases etch more isotropically than do plasmas with bromine-containing etching gases. Thus, it is not expected that high aspect ratio trenches can be made using the method described in US Patent No. 5,314,573.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein anisotropes Trockenätzverfahren anzugeben, mittels dem möglichst tiefe Gräben mit gleichzeitig hohem Aspektverhältnis in einem Halbleitersubstrat erzeugt werden. Eine weitere Aufgabe besteht darin, möglichst steile Grabenwände zu erzeugen.The It is an object of the present invention to provide an anisotropic Indicate dry etching process, by means of the possible deep trenches with simultaneously high aspect ratio in a semiconductor substrate be generated. Another task is as possible steep trench walls to create.

Erfindungsgemäß wird zumindest eine dieser Aufgaben durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, at least one of these objects by a method having the features of the claim 1 solved.

Das erfindungsgemäße Verfahren nützt zum Ätzen tiefer Gräben mit hohem Aspektverhältnis als Ätzgas ein chlorhaltiges Gas und als Additive ein fluorhaltiges, ein bromhaltiges und ein sauerstoffhaltiges Gas.The inventive method is used for etching deeper trenches with a high aspect ratio as etching gas a chlorine-containing gas and as additives a fluorine-containing, a bromine-containing and an oxygen-containing gas.

Damit ergibt sich die Möglichkeit die vertikalen Abmessungen von Gräben zu erhöhen. Mittels tieferer Gräben können höhere Integrationsdichten auf einem Halbleitersubstrat erreicht werden.In order to the possibility arises to increase the vertical dimensions of trenches. Lower trenches allow for higher integration densities a semiconductor substrate can be achieved.

Erfindungsgemäß wird ein chlorhaltiges Gas als Ätzgas zum Ätzen von tiefen Gräben mit hohem Aspektverhältnis gewählt. Der Vorteil von chlorhaltigem Ätzgas gegenüber einem bromhaltigen Ätzgasen besteht darin, dass die Molekülmasse chlorhaltiger Ätzprodukte leichter als die Molekülmasse bromhaltiger Ätzprodukte ist. Da mit abnehmender Molekülmasse der Ätzprodukte die mittlere Geschwindigkeit der Ätzprodukte in einer Kapillare zunimmt, verlassen die chlorhaltigen Ätzprodukte schneller den Graben als dies bromhaltige Ätzprodukte tun. Somit kann ein wesentlich verbesserter Stofftransport realisiert werden. Zugleich erreicht ein höherer Anteil der Ätzgase den Grabenboden, um den Grabenboden zu ätzen. Daher erhöht sich die anisotrope Ätzrate mit chlorhaltigem Ätzgas gegenüber bromhaltigen Ätzgas.According to the invention is a chlorine-containing gas as etching gas for etching of deep trenches with a high aspect ratio selected. The advantage of chlorine-containing etching gas across from a bromine-containing etching gases is that the molecular mass chlorine-containing etching products lighter than the molecular mass brominated etching products is. As with decreasing molecular mass the etching products the mean velocity of the etched products in a capillary increases, the chlorine-containing etching products leave the trench faster as do brominated etching products. Thus, a much improved mass transfer can be realized become. At the same time a higher achieves Proportion of etching gases the trench bottom to etch the trench bottom. Therefore increases the anisotropic etch rate with chlorine-containing etching gas across from bromine-containing etching gas.

Die Grabenwände werden gegen eine Reaktion mit dem chlorhaltigen Ätzgas besser geschützt, indem dem Ätzgas als Additiv das sauerstoffhaltige Gas zugemischt wird. Das sauerstoffhaltige Gas reagiert mit der Siliziumseitenwand des Substrates und erzeugt ein SiOx was im wesentlich chemisch inert gegen einen Ätzangriff eines bromhaltigen Gases ist.The trench walls are better protected against reaction with the chlorine-containing etching gas by admixing the etching gas with the oxygen-containing gas as an additive. The oxygen-containing gas reacts with the silicon sidewall of the substrate and generates an SiO x which is substantially chemically inert to an etch attack of a bromine-containing gas.

Zusätzlich entsteht mit den im Plasma zerlegten SiBrx-Ätzprodukten eine Abscheidung auf der Waferoberfläche, die die Selektivität zur Maske erhöht. Die Stärke der Passivierungsschicht lässt sich nicht allein durch den Volumenanteil des sauerstoffhaltigen Gases kontrollieren. Fluorhaltiges Gas kann die Passivierungsschicht ätzen. Durch geeignete Wahl des Mischverhältnisses des fluorhaltigen und des sauerstoffhaltigen Gases kann die Passivierungsschicht eingestellt werden.In addition, deposition on the surface of the wafer, which increases the selectivity to the mask, results with the SiBr x etching products decomposed in the plasma. The thickness of the passivation layer can not be controlled solely by the volume fraction of the oxygen-containing gas. Fluorine-containing gas can etch the passivation layer. By suitable choice of the mixing ratio of the fluorine-containing and the oxygen-containing gas, the passivation layer can be adjusted.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.In the dependent claims find advantageous developments and refinements of inventive method.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung enthält das chlorhaltige Gas HCl. Das fluorhaltige Gas ätzt die Oxidmaske. Daher ist der Anteil des fluorhaltigen Gases möglichst gering zu halten, um den Abtrag der Maske gering zu halten. HCl ermöglicht ebenfalls die Passivierungsschicht zu ätzen, greift aber die Maske weniger stark an. Daher kann bei Verwendung von HCl vorteilhafterweise der Anteil an fluorhaltigem Gas gesenkt werden, was sich insbesondere vorteilhaft auf die Selektivität des Ätzprozesses gegenüber der Maske auswirkt.According to a preferred development, the chlorine-containing gas contains HCl. The fluorine-containing gas etches the oxide mask. Therefore, the proportion of fluorine-containing gas must be kept as low as possible in order to minimize the removal of the mask. HCl also makes it possible to etch the passivation layer but the mask less strong. Therefore, when using HCl advantageously the proportion of fluorine-containing gas can be reduced, which is particularly advantageous to the selectivity of the etching process relative to the mask.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung hat das chlorhaltige Gas den größten Volumenanteil des verwendeten Gasgemisches.According to one preferred development, the chlorine-containing gas has the largest volume fraction of the gas mixture used.

Daher wird das chlorhaltige Gas auch als Hauptgas oder Hauptätzgas bezeichnet.Therefore the chlorine-containing gas is also referred to as main gas or Hauptätzgas.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung hat das chlorhaltige Gas den größten Anteil an dem chemischen Abtrag des siliziumhaltigen Gases. Daher wird das chlorhaltige Gas auch als Ätzgas oder Hauptätzgas bezeichnet.According to one preferred development, the chlorine-containing gas has the largest share on the chemical removal of the silicon-containing gas. Therefore, will the chlorine-containing gas also as etching gas or main etching gas designated.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird in einem Zwischenschritt mit einem anderen geeigneten Verfahren ein Graben mit hohem Aspektverhältnis bis zu einer vorbestimmten Tiefe in das maskierte Halbleitersubstrat geätzt. Anschließend wird dieser Graben mit dem erfindungsgemäßen Verfahren tiefer geätzt.According to one preferred training is in an intermediate step with a other suitable methods digging with high aspect ratio up to to a predetermined depth into the masked semiconductor substrate etched. Subsequently, will this trench etched deeper with the method according to the invention.

Erfindungsgemäß enthält das Plasma ein bromhaltiges Gas.According to the invention, the plasma contains a bromine-containing gas.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung enthält das Plasma ein edelgashaltiges Gas. Das edelgashaltige Gas dient der Unterstützung des anisotropen Ätzens durch physikalisches Abtragen oder Aktivieren des Grabenbodens.According to one contains preferred training the plasma is a noble gas-containing gas. The noble gas-containing gas is used the support anisotropic etching by physically ablating or activating the trench bottom.

Erfindungsgemäß werden die Volumina der Gase derart eingestellt und kontrolliert, dass mit zunehmender Tiefe des Grabens während des Ätzens der relative Anteil des chlorhaltigen Gases erhöht wird, um den gewünschten anisotropen Charakter des Ätzprozesses zu erhalten.According to the invention the volumes of gases adjusted and controlled so that with increasing depth of the trench during etching, the relative proportion of the chlorine-containing gas is increased, to the desired anisotropic character of the etching process to obtain.

Erfindungsgemäß wird ein Druck der Gase in der Reaktionskammer derart eingestellt und kontrolliert, dass mit zunehmender Tiefe des Grabens der Druck der Gase während des Ätzens erhöht wird, um den gewünschten anisotropen Charakter des Ätzprozesses zu erhalten.According to the invention is a Pressure of the gases in the reaction chamber adjusted and controlled in this way, that with increasing depth of the trench the pressure of the gases is increased during the etching, to the desired anisotropic character of the etching process to obtain.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung enthält das bromhaltige Gas HBr.According to one contains preferred training the bromine gas HBr.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung enthält das fluorhaltige Gas NF3 und/oder SF6.According to a preferred development, the fluorine-containing gas contains NF 3 and / or SF 6 .

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Maske als eine Hartmaske ausgebildet, welche Siliziumoxid und/oder Silizium-Nitrid enthält.According to one preferred development, the mask is designed as a hard mask, which contains silicon oxide and / or silicon nitride.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den schematischen Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the schematic drawings and explained in more detail in the following description.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung eines Teilschnittes eines maskierten Halbleitersubstrats, welches nach einem erfindungsgemäßen Ätzverfahren geätzt werden soll; 1 a schematic representation of a partial section of a masked semiconductor substrate to be etched by an etching method according to the invention;

2 eine schematische Darstellung eines Teilschnittes zur Illustration eines erfindungsgemäßen Ätzverfahrens; 2 a schematic representation of a partial section to illustrate an etching process according to the invention;

3 eine schematische Darstellung eines Profils eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geätzten Grabens; und 3 a schematic representation of a profile of an etched with the method according to the invention trench; and

4 eine schematische Darstellung zweier Gräben im Bereich des Grabenbodens aus der 3. 4 a schematic representation of two trenches in the region of the trench bottom of the 3 ,

In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.In In the figures, the same reference numerals designate the same or the same function Ingredients.

1 zeigt schematisch den Aufbau eines Halbleitersubstrats 1, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geätzt werden soll. Das Halbleitersubstrat 1 besteht aus einem siliziumhaltigen Material. Ein bevorzugtes Material ist einkristallines oder epitaktisch abgeschiedenes Silizium. Weitere mögliche Materialien sind polykristallines oder amorphes Silizium. Das Halbleitersubstrat 1 hat eine untere Fläche 3 und eine obere Fläche 4. Auf die obere Fläche 4 ist eine Maske 2 aufgebracht. Die Maske 2 ist vorzugsweise eine Hartmaske aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. In das Halbleitersubstrat 1 soll ein tiefer und steiler Graben 9 geätzt werden. Die Bereiche die nicht geätzt werden sollen, werden durch die Maske 2 geschützt. 1 schematically shows the structure of a semiconductor substrate 1 which is to be etched by the method according to the invention. The semiconductor substrate 1 consists of a silicon-containing material. A preferred material is monocrystalline or epitaxially deposited silicon. Other possible materials are polycrystalline or amorphous silicon. The semiconductor substrate 1 has a bottom surface 3 and an upper surface 4 , On the upper surface 4 is a mask 2 applied. The mask 2 is preferably a hard mask of silicon oxide or silicon nitride. In the semiconductor substrate 1 should a deep and steep ditch 9 be etched. The areas that should not be etched are covered by the mask 2 protected.

2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Trockenätzverfahrens. In das Halbleitersubstrat 1 ist ein Graben 9 geätzt, der von dem Grabenboden 7 und den Grabenwänden 6 eingefasst ist und zur oberen Fläche 4 des Halbleitersubstrats 1 hin offen ist. Ein Plasma 5 enthält Gase. Den größten Volumenanteil an den Gasen hat ein chlorhaltiges Ätzgas. Der Ätzvorgang erfolgt mittels dem Plasma 5, wobei das chlorhaltige Ätzgas den größten Anteil am Abtrag des Halbleitersubstrats 1 hat. Die Gase des Plasmas 5 werden senkrecht auf die obere Fläche 4 des Halbleitersubstrats 1 hin beschleunigt. Die Ätzgase reagieren mit dem Halbleitersubstrat zu den Ätzprodukten 8. 2 shows a preferred embodiment of the dry etching process according to the invention. In the semiconductor substrate 1 is a ditch 9 etched by the trench bottom 7 and the moat walls 6 is bordered and the upper surface 4 of the semiconductor substrate 1 is open. A plasma 5 contains gases. The largest volume fraction of the gases has a chlorine-containing etching gas. The etching takes place by means of the plasma 5 , wherein the chlorine-containing etching gas accounts for the largest part of the removal of the semiconductor substrate 1 Has. The gases of the plasma 5 be perpendicular to the top surface 4 of the semiconductor substrate 1 accelerated. The etching gases react with the semiconductor substrate to the etching products 8th ,

Die Ätzgase des Plasmas werden möglichst senkrecht auf die obere Fläche 4 hin beschleunigt. In einem Graben hat das hat zur Folge, dass die Ätzgase bevorzugt auf den Grabenboden 7 auftreffen. Die Ätzgase reagieren daher hauptsächlich mit dem Substrat im Bereich des Grabenbodens 7, was es ermöglicht Gräben mit einem hohen Aspektverhältnis und steilen Grabenwänden zu ätzen.The etching gases of the plasma are as perpendicular as possible to the upper surface 4 accelerated. In a ditch that has the consequence that the etching gases preferentially on the trench bottom 7 incident. The etching gases therefore react mainly with the substrate in the region of the trench bottom 7 which makes it possible to etch trenches with a high aspect ratio and steep trench walls.

Das Ätzprodukt 8, welches durch die Reaktion von HCl mit dem Silizium entsteht ist SiCl4. SiCl4 ist bei Raumtemperatur gasförmig. Das Ätzprodukt 8 verlässt nach einer Verweildauer den Graben 9. Die Verweildauer ist gegeben durch die Wegstrecke, die das Ätzprodukt zum Verlassen des Grabens zurücklegen muss. Da die Ätzprodukte 8 bevorzugt am Grabenboden 7 entstehen, entspricht beim anisotropen Ätzen die zurückzulegende Wegstrecke der Tiefe des Grabens 9. Damit ergibt sich, dass die Verweildauer der Ätzprodukte 8 in dem Graben 9 umso länger ist, je tiefer der Graben 9 ist.The etching product 8th which is formed by the reaction of HCl with the silicon is SiCl 4 . SiCl 4 is gaseous at room temperature. The etching product 8th leaves the ditch after a dwell time 9 , The residence time is given by the distance which the etching product must travel to leave the trench. Because the etching products 8th preferably at the bottom of the trench 7 arise, corresponds in the anisotropic etching the distance to be covered the depth of the trench 9 , This results in that the residence time of the etched products 8th in the ditch 9 the longer the deeper the ditch 9 is.

Befinden sich die Ätzprodukten 8 noch in dem Graben 9, können die Ätzgase an den Ätzprodukten 8 im Graben streuen und somit von ihrer zum Grabenboden 7 senkrechten Flugbahn abgelenkt werden. Das hat zweierlei Folgen: erstens trifft nun ein höherer Anteil der Ätzgase an der Grabenwand 6 auf und zweitens erreicht ein geringerer Anteil der Ätzgase den Grabenboden 7. Da somit die Ätzrate in lateraler Richtung zunimmt und in vertikaler Richtung abnimmt, verringern die Ätzprodukte im Graben den anisotropen Charakter des Ätzverfahrens. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Ätzprodukte den Graben so schnell wie möglich verlassen.Are the etching products 8th still in the ditch 9 , the etching gases on the etching products 8th sprinkle in the ditch and thus from her to the bottom of the ditch 7 deflected vertical trajectory. This has two consequences: first, a higher proportion of the etching gases now hits the trench wall 6 On the other hand, a smaller proportion of the etching gases reaches the trench bottom 7 , Thus, since the etch rate increases in the lateral direction and decreases in the vertical direction, the etched products in the trench reduce the anisotropic nature of the etch process. Therefore, it is advantageous if the etch products leave the trench as fast as possible.

Die mittlere Geschwindigkeit von Gasen hängt u.a. von deren Masse ab. Je leichter die Moleküle eines Gases sind, umso schneller bewegt sich das Gas (bei gleichen Bedingungen, wie Temperatur etc.). Daher ist die mittlere Verweildauer leichterer Ätzprodukte in dem Graben kürzer, als die schwereren Ätzprodukte. Eine genauere Analyse der Problematik nach Knudsen ergibt, dass die Verweildauer in dem Graben invers proportional zur Wurzel der Masse der Gasmoleküle ist. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden daher chlorhaltige Gase verwendet. Deren Ätzprodukt SiCl4 ist leichter, als SiHBr3 und SiBr4, welche beim Ätzen mit HBr entstehen, wie dies z.B. beim Verfahren nach US 2001/045354 der Fall ist. SiCl4 ist insbesondere um 23 % und 51 % leichter als SiHBr3 bzw. SiBr4 und damit ist dessen mittlere Verweildauer in dem Graben gleicher Tiefe um 14 % bzw. 43 % kürzer. Daher lässt sich ein Graben mit hohem Aspektverhältnis entsprechend tiefer ätzen, wenn HCl statt HBr verwendet wird.The average velocity of gases depends, among other things, on their mass. The lighter the molecules of a gas, the faster the gas moves (under the same conditions as temperature, etc.). Therefore, the average residence time of lighter etched products in the trench is shorter than the heavier etch products. A closer analysis of the problems according to Knudsen shows that the residence time in the trench is inversely proportional to the root of the mass of the gas molecules. Chlorine-containing gases are therefore used in the process according to the invention. Their etching product SiCl 4 is lighter than SiHBr 3 and SiBr 4 , which are formed when etching with HBr, as is the case for example in the method according to US 2001/045354. In particular, SiCl 4 is about 23% and 51% lighter than SiHBr 3 or SiBr 4, and thus its mean residence time in the trench of the same depth is 14% and 43% shorter, respectively. Therefore, a high aspect ratio trench can be appropriately etched deeper when HCl is used instead of HBr.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Profils von sechs Gräben, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geätzt wur den. Das verwendete Ätzgas ist HCl. Die Tiefe der Gräben beträgt hier 7,63 μm. 3 shows a schematic representation of a profile of six trenches, which WUR etched by the method according to the invention. The etching gas used is HCl. The depth of the trenches here is 7.63 μm.

4 zeigt eine schematische Darstellung zweier Gräben im Bereich des Grabenbodens aus der 3. Die Breite der Gräben beträgt hier 120 nm, woraus sich ein Aspektverhältnis von 47 ergibt. Die Selektivität des Ätzplasmas von Silizium gegenüber der Hartmaske aus Siliziumoxid beträgt 6,3. 4 shows a schematic representation of two trenches in the region of the trench bottom of the 3 , The width of the trenches here is 120 nm, resulting in an aspect ratio of 47. The selectivity of the etching plasma of silicon with respect to the hard mask of silicon oxide is 6.3.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, zuerst einen Graben mit einem ersten herkömmlichen Verfahren zu ätzen, z.B. mit HBr. Das erste Verfahren wird dann beendet, wenn der Graben eine Tiefe aufweist, bei der die Ätzprodukte in dem Graben die Anisotropie merklich beeinflussen. Dann wird HCl zum Ätzen des bereits begonnen Grabens verwendet, da dann der Vorteil der kürzeren Verweildauer von SiCl4 zum Tragen kommt.A further embodiment of the method according to the invention provides first etching a trench with a first conventional method, for example with HBr. The first method is terminated when the trench has a depth at which the etched products in the trench significantly affect the anisotropy. Then HCl is used to etch the trench already started, since then the advantage of the shorter residence time of SiCl 4 comes into play.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Even though the present invention above based on a preferred embodiment It is not limited to this, but in many ways and modifiable.

Anstatt oder zusätzlich zu dem HCl-haltigem Gas sind andere chlorhaltige Gase zum Ätzen verwendbar, wie z.B. Cl2.Instead of or in addition to the HCl-containing gas, other chlorine-containing gases are suitable for etching, such as Cl 2 .

Weitere Gase wie edelgashaltige Gase, z.B. He, sind dem Plasma zur Unterstützung der anisotropen Ätzrate zumischbar. Die edelgashaltigen Gase werden wie die Ätzgase durch elektrische Felder senkrecht auf die oberste Fläche 4 hin beschleunigt und treten in den Graben ein. Die edelgashaltige Gase stoßen mit den Ablagerungen der Ätzprodukte am Grabenboden und lösen die Ablagerungen der Ätzprodukte vom Grabenboden ab. Dies verringert vorteilhafterweise eine mögliche Passivierung des Grabenbodens.Other gases, such as noble gas-containing gases, eg He, can be mixed with the plasma to support the anisotropic etch rate. The noble gas-containing gases are like the etching gases by electric fields perpendicular to the top surface 4 accelerated and enter the ditch. The noble gas-containing gases collide with the deposits of the etching products on the trench bottom and dissolve the deposits of the etching products from the trench bottom. This advantageously reduces possible passivation of the trench bottom.

11
HalbleitersubstratSemiconductor substrate
22
Maskemask
33
untere Fläche des Halbleitersubstratslower area of the semiconductor substrate
44
obere Fläche des Halbleitersubstratsupper area of the semiconductor substrate
55
Plasmaplasma
66
Grabenwandgrave wall
77
Grabenbodengrave soil
88th
Ätzprodukteetching
99
Grabendig

Claims (9)

Verfahren zum Trockenätzen von tiefen Gräben mit hohem Aspektverhältnis und steilen Grabenwänden mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines siliziumhaltigen Halbleitersubstrats; b) Aufbringen einer Maske auf eine erste Oberfläche des Halbleitersubstrats; c) Anisotropes Ätzen von Gräben in die nicht maskierte erste Oberfläche des Halbleitersubstrats unter Verwendung eines Plasmas, wobei das Plasma fluorhaltige, chlorhaltige, bromhaltige und sauerstoffhaltige Gase enthält, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhalten der gewünschten Selektivität des Ätzprozesses für das anisotrope Ätzen während des Ätzens die Volumina und ein Druck der Gase derart eingestellt und kontrolliert werden, dass mit zunehmender Tiefe des Grabens der relative Anteil des chlorhaltigen Gases und der Druck der Gase erhöht wird.Process for the dry etching of deep trenches with high aspect ratio and steep trench walls, comprising the following steps: a) providing a silicon-containing semiconductor substrate; b) applying a mask to a first surface of the semiconductor substrate; c) anisotropically etching trenches into the unmasked first surface of the semiconductor substrate using a plasma, wherein the plasma contains fluorine-containing, chlorine-containing, bromine-containing and oxygen-containing gases, characterized in that to obtain the desired selectivity of the etching process for the anisotropic etching during the etching the volumes and pressure of the gases are adjusted and controlled in such a way that, with increasing depth of the trench, the relative proportion of the chlorine-containing gas and the pressure of the gases are increased. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das chlorhaltige Gas HCl enthält.Method according to claim 1, characterized in that the chlorine-containing gas contains HCl. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das chlorhaltige Gas den größten Volumenanteil des verwendeten Gasgemisches hat.Method according to claim 1 or 2, characterized that the chlorine-containing gas has the largest volume fraction of the gas mixture used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt c) mit einem anderen geeigneten Verfahren ein Graben mit hohem Aspektverhältnis bis zu einer vorbe stimmten Tiefe geätzt wird, und mit Schritt c) dieser Graben tiefer geätzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that before step c) with another suitable Process a trench with high aspect ratio up to a vorbe agreed Etched depth and with step c) this trench is etched deeper. verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma ein bromhaltiges Gas enthält.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the plasma contains a bromine-containing gas. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma ein edelgashaltiges Gas zum Unterstützen des anisotropen Ätzens durch physikalisches Abtragen und Aktivieren des Grabenbodens enthält.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the plasma is a noble gas-containing gas for assisting the anisotropic etching by includes physical ablation and activation of the trench bottom. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bromhaltige Gas HBr enthält.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the bromine-containing gas contains HBr. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das fluorhaltige Gas NF3 und/oder SF6 enthält.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fluorine-containing gas contains NF 3 and / or SF 6 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske als eine Hartmaske ausgebildet ist, welche Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid enthält.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the mask is formed as a hard mask, which contains silicon oxide and / or silicon nitride.
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