DE3427599A1 - Bauelement-herstellungsverfahren - Google Patents

Bauelement-herstellungsverfahren

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    • Y10S148/00—Metal treatment
    • Y10S148/105—Masks, metal

Description

Beschreibung
Bauelement-Herstellungsverfahren
Die Erfindung betrifft ein Bauelement-Herstellungsverfahren, insbesondere ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen .
Häufig ist bei Prozessen, wie der Herstellung" von Halbleiterbauelementen, das selektive Ätzen von Stoffen notwendig. So beispielsweise ist es in einigen Situationen, z. B. bei der Herstellung geeignet strukturierter Gateoxide, wünschenswert, eine Siliciumzone so zu entfernen, daß eine darunter- oder danebenliegende Siliciumoxid-Zone, z. B. eine Siliciumdioxid-Zone, nicht nennenswert beschädigt wird. Hierzu wird häufig vom Plasmaätzen oder vom reaktiven Ionenätzen Gebrauch gemacht. Bei diesen Methoden wird typischerweise ein Gas in die Nähe eines zu ätzenden Körpers gebracht, und in dem gasförmigen Medium wird unter Erzeugung von Molekül-Teilen, Atomen und Ionen ein Plasma erzeugt. Die sich ergebenden
durch das Plasma erzeugten energetischen Teilchen werden in Richtung auf das Substrat gelenkt und entfernen aufgrund verschiedener Mechanismen das beaufschlagte Material. Durch spezielle Wahl der Prozeßbedingungen und Gase wird die Abtraggeschwindigkeit für ein gegebenes Material bis zu einem gewissen Grad in bezug auf die Abtraggeschwindigkeit anderer Stoffe gesteuert.
Obgleich in vielen Situationen das Ätzen mit energetischen Teilchen in vorteilhafter Weise angewendet werden kann, so ist diese Methode dennoch nicht frei von Problemen. Die in dem Plasma erzeugten energetischen Teilchen haben häufig Einfluß selbst auf solche Stoffe, die nicht mit nennenswerter Geschwindigkeit geätzt werden. Beispielsweise'werden in diesen Stoffen Lochbildungen hervorgerufen, oder es werden die elektronischen Oberflächenzustände in nicht akzeptierbarer Weise modifiziert. Lochbildungen und die Modifizierung elektronischer Zustände sind bei vielen Bauelement-Anwendungen nicht wünschenswert, da diese Erscheinungen häufig zu fehlerhaften Bauelementstrukturen und somit zu Bauelement-Fehl funktionen führen. Außerdem führt die Verwendung eines Plasmas häufig zum Niederschlag von Verunreinigungsstoffen auf der Substratoberfläche. Diese Verunreinigungsstoffe, beispielsweise durch das Plasmagas und/oder nicht-flüchtige
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Metalle des Reaktionsgefäßes, z. B. Aluminium, erzeugte Verbindungen verschlechtern entweder die Eigenschaften der Bauelemente oder behindern nachfolgende Verarbeitungsschritte.
Als Alternative zu dem Plasmaätzen gibt es das Naßätzen, das ist die Verwendung einer flüssigen Chemikalie, die mit dem zu ätzenden Stoff im Vergleich zu der Reaktionsgeschwindigkeit darunterliegender oder maskierter, benachbarter Stoffe rasch reagiert. Obschon in vielen Anwendungsfällen das chemische Naßätzen Vorteile bietet, ist es doch auch mit Problemen behaftet. Beispielsweise führt das chemische Naßätzen zu Schwierigkeiten bei der Handhabung und Aufbringung der zugehörigen Chemikalien. Wenn außerdem die Temperatur und die Konzentration der Reagenzien nicht sorgfältig gesteuert werden, so erzielt man ungleichmäßige Ergebnisse. Ungleichmäßige Ergebnisse entstehen auch dadurch, daß mit dem Naßätzmittel aufgrund von Oberflächenspannungseffekten keine Mikrometerstrukturen erreichbar sind.
Obschon in vielen Situationen Ätztechniken wie z. B. das Plasmaätzen und das chemische Naßätzen ein Maß an Selektivität zwischen dem zu ätzenden und dem benachbarten Material bieten, so ist im allgemeinen doch die Selektivität nicht besonders hoch. Bei typischen Ätzanlagen ist die
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Selektivität, das ist die Ätzgeschwindigkeit für eine gewünschte Zone in bezug auf darunterliegende oder unmaskierte, benachbarte Zonen unterschiedlicher Zusammensetzungen, nicht größer als 20 : 1. Es gibt jedoch viele Anwendungsfälle, z. B. das selektive Entfernen von Siliciumfäden aus extrem dünnen Siliciumdioxid-Gates in Feldeffekttransistoren hoher Arbeitsgeschwindigkeit, wobei eine Selektivität von mehr als 100 : 1 erforderlich ist.
Es hat sich gezeigt, daß Xenon-Difluorid bei Abwesenheit eines Plasmas eine selektive Ätzung zwischen Siliciumdioxid und Silicium bewirkt (vgl. H. F. Winters et al, Applied Physics Letters, 34, 70 (1979)). Allerdings sind Edelgas-Halogenide im allgemeinen unstabil und relativ kostspielig. Demzufolge ist die Verwendung von Edelgas-Halogeniden keine besonders zufriedenstellende Lösung der mit anderen Herstellungsverfahren verbundenen Probleme. Die herkömmlichen Ätzmethoden haben also Nachteile und sind für einige wichtige Anwendungsfälle nicht in ausreichendem Maße selektiv.
Erfindungsgemäß wird eine hohe Selektivität,d.h,eine Selektivität von mehr als 40:1, sogar von mehr als 100:1,beim Ätzen einer Vielfalt von Stoffen gegenüber darunterliegender oder unmaskierter, benachbarter Zonen eines zweiten Stoffs durch
die Verwendung von mehratomigen Halogenfluoriden entweder allein, als Gemische oder kombiniert mit inerten Gasen, wie Argon, erreicht. Beispielsweise werden Stoffe, wie Silicium, nichtoxidische Molybdänzusammensetzungen und Tantalzusammensetzungen, ζ. Β. Tantal, Tantalnitrid (Stoffe, die durch die Formel Ta N mit x>0 und y^· 0
χ y
dargestellt werden) und Tantalsilicid, leicht geätzt im Vergleich zu einem Tantaloxid, Siliciumoxid oder Siliciumnitrid. Erfindungsgemäß wird die hervorragende Selektivität in der Abwesenheit eines Plasmas'und ohne Flüssigätzmittel erzielt. Insbesondere erwiesen sich Materialien, wie BrF1., BrF3, ClF3 und IF5 als besonders vorteilhaft zur Erzielung dieser Ergebnisse. Im Gegensatz dazu ist zu zweiatomigen Halogenfluoriden, wie F-, ClF und Cl_ zu bemerken, daß sie entweder 1) Stoffe, wie Silicium- oder Tantalverbindungen ζ. B. Silicid, Nitrid oder elementares Metall überhaupt nicht ätzen oder 2) extrem niedrige Ätzgeschwindigkeiten aufweisen. Das erreichbare selektive Ätzen ist in vielen Bauelement-Anwendungen, wie z. B. bei der Herstellung von Gateoxiden bei Feldeffekttransistoren oder bei der Herstellung von" Tantalnitrid-Dünnschichtwiderständen in Verbindung mit Tantaloxid-Dünnschichtkondensatoren, in integrierten Hybrid-Dünnschichtschaltungen in hohem Maße nützlich. Ferner ist die Selektivität im Fall des Siliciums besonders vorteilhaft zum Befreien der Wände
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«. Q —
Dampfreaktionsniederschlags-Apparatüren von Siliciumablagerungen.
Im einzelnen:
Das selektive Ätzen wird einfach dadurch erreicht, daß man den zu ätzenden Körper einer in gasförmiger Form vorliegenden Zusammensetzung mit mehratomigem Halogenfluorid aussetzt. Im vorliegenden Zusammenhang soll mehratomiges Molekül ein Molekül mit drei oder mehr Atomen bedeuten. Im allgemeinen werden nichtoxidische Materialien, wie Silicium, Tantal, TantalzusammenSetzungen, z. B. Tantalnitride, Tantalsilicide, Molybdän, Molybdänzusammensetzungen, z.B. Molybdänsilicid, Wolfram und Wolframzusammensetzungen, z. B. Wolframsilicid, typischerweise durch mehratomige Halogenfluoride selektiv geätzt bezüglich eines zweite Materials, wenn die genannten Zusammensetzungen eine Reaktionsgeschwindigkeit von mindestens 1 χ 10 Molekülen pro cm2 pro Sekunde aufweisen, verglichen mit einer Reaktionsgeschwindigkeit des zweiten Stoffs, die mindestens 40 mal kleiner ist, vorausgesetzt, daß nur flüchtige Fluoridprodukte, d. h. Fluoride mit Dampfdrücken bei 26 °C von mehr als 0,1333 Pa (0,001 Torr) gebildet werden. Im Gegensatz dazu bleiben Siliciumnitrid, die Siliciumoxide, die Tantaloxide und die Molybdänoxide sowie deren Gemische, die diese Eigenschaften nicht besitzen, im wesentlichen ungeätzt.
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Die Anzahl von Fluoratomen in dem mehratomigen Halogenfluor id ist nicht signifikant, vorausgesetzt, daß sie in Verbindung mit einem nicht aus Fluor bestehenden Halogenatom vorhanden sind. So beispielsweise erzeugen mehratomigen Halogenfluoride, wie BrF g, BrF-, ClF- und IF- das gewünschte Maß an Selektivität. Obschon diese Verbindungen im Handel erhältlich sind, ist die Quelle dieser Verbindungen nicht kritisch, und es ist sogar möglich, sie an Ort und Stelle durch Reaktionen wie die Fluorination von Bromgas vor dem Ätzen zu erzeugen. (Vgl. N. V. Sidgwick, The Chemical Elements and Their Compounds (London: Oxford University Press, 1952).)
Der zu ätzende Stoff wird mit dem geeigneten Gas in einer Ausführungsform der Erfindung einfach dadurch in Berührung gebracht, daß man dieses Gas in einen den Stoff enthaltenden Behälter einbringt. Es ist z. B. möglich, die Kammer zu evakuieren und dann erneut mit irgendeinem der mehratomigen Halogenfluoride zu füllen. (Die Verwendung des Ausdrucks mehratomiges Halogenfluorid umfaßt nicht nur die mehratomigen Halogenfluorid-Gase, sondern auch Gemische aus mehratomigen Halogenfluorid-Gasen.) Alternativ ist es möglich, das mehratomige Halogenfluorid mit einem anderen Gas, ζ. B. einem inerten Gas zu mischen, und dieses Ge-
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misch in den Behälter einzuleiten. (Ein inerter Stoff ist ein Stoff, der mit dem mehratomigen Halogenfluorid praktisch nicht reagiert und außerdem nicht mit dem Substrat in einer Weise reagiert, daß die Selektivität des HaIogenfluorids beeinträchtigt wird.) Typischerweise werden, mit oder ohne inertem Gas, Teildrücke der mehratomigen Halogenfluoride in dem Bereich von 0,1333 bis 101 325 Pa (1 mTorr bis 1 atm) verwendet. Im allgemeinen führen Teildrücke des mehratomigen Halogenfluorids von weniger als 0,1333 Pa (1 mTorr) zu extrem niedrigen Ätzgeschwindigkeiten, während Teildrücke, die bedeutend über 101 325 Pa (1 atm) liegen, zu unerwünscht hohen Ätzgeschwindigkeiten führen, die aufgrund der damit einhergehenden Schwierigkeiten der Prozeßsteuerung nicht bevorzugt werden. Die hohen Teildrücke haben auch die Neigung, zu der Kondensation der Produktfluoride aus dem Ätzprozeß zu führen.
Das Ätzen wird fortgesetzt, bis die gewünschte Materialdicke abgetragen ist. Typische Ätzgeschwindigkeiten für Stoffe, wie Silicium und Tantalzusammensetzungen, bei Teildrücken des mehratomigen Halogenfluorids im Bereich von 13,33 bis 1,333 Pa (0,1 bis 10 Torr) sind 5 bis 500 nm/min und 20 bis 300 nm/min. Für Materialdicken von weniger als 100 μπι werden daher ganz gewöhnliche Ätzzeiten benötigt. In den
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meisten Anwendungsfällen ist das Ätzen lediglich auf einen Abschnitt eines Substrats beschränkt, und zwar durch den Einsatz der üblichen Lithographiemethoden, wie beispielsweise der Verwendung einer mit einem Muster versehenen organischen Resistmaterialschxcht. Wenn jedoch, wie oben diskutiert wurde, beispielsweise eine Siliciumzone zu ätzen ist, so brauchen die freiliegenden Siliciumdioxid-Zonen nicht maskiert zu sein. Nach dem Ätzen wird das Bauelement durch Anwendung üblicher Verfahren fertiggestellt (vgl. S. Sze, VLSI Technology, McGraw Hill, 1983 für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen und R. W. Berry et al, Thin Film Technology, New York: R. E. Krieger Publishing Company, 1979 für die Hybridtechnik).
Das Reinigen von Niederschlagungs-Anlagen, beispielsweise von CVD-Reaktoren, erfolgt in ähnlicher Weise dadurch, daß die oben erwähnten Konzentrationen von mehratomigen Halogenfluor iden in den Reaktor eingeleitet werden. Das Ätzen wird solange fortgesetzt, bis die z. B. aus Silicium bestehende Verunreinigung an den Reaktorwänden, typischerweise Quarz- oder Glaswänden, entfernt ist. Wiederum erzielt man bei Siliciumablagerungen mit Dicken im Bereich von 0,5 nm bis 100 μΐη übliche Ätz zeiten.
Im folgenden sollen Beispiele der Erfindung erläutert werden.
- 13 Beispiel 1
Unter Verwendung eines mehratomigen Halogenfluorids wurde eine integrierte Hybrid-Dünnschichtschaltung auf einem Aluminiumsubstrat geätzt. Die Schaltung enthielt sowohl Dünnschichtkondensatoren als auch -Widerstände. Erstere wurden gebildet durch anodisches Wachsen von Ta3O5 als Dielektrikum, einer Ta-Verbindung mit 13 bis 16 Atom-% Stickstoff als untere Elektrode und Au als Gegenelektrode. Die Widerstände wurden durch ein'Photoresist-Muster definiert, welches auf einer dünnen Ta2N-Schicht erzeugt wurde, welche aufgebracht wurde, nachdem der Kondensator durch die Anodisierung hergestellt wurde.
Die integrierte Hybridschaltung wurde auf dem Probenhalter einer Aluminiumkammer angeordnet. Die Kammer wurde mit einer mechanischen Vorvakuumpumpe und einer Verstärkerstufe auf einen Druck von etwa 0,6666 Pa (5 mTorr) evakuiert. Dann wurde unter Fortsetzung des Auspumpens der Kammer ein C1F_-Strom in die Kammer eingeleitet. Der ClF3-Strom wurde so eingestellt, daß in der Kammer ein Druck von etwa 666,6 Pa (5 Torr) entstand. Der ClF-j-Strom wurde etwa drei Minuten aufrechterhalten und dann beendet. Eine Augenseheinnahme der Hybridschaltung mit einem optischen Mikroskop zeigte, daß das Tantalnitrid vollständig in den-
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jenigen Zonen entfernt war, mit denen das Gas in Berührung gekommen war, während freiliegende Gold- oder Tantaloxidzonen praktisch unberührt geblieben waren. Die Tantalnitrid-Zonen unter dem Photoresistmaterial waren von dem ClP3 nicht beeinflußt worden, und es war auch das Photoresistmaterial nicht in nennenswertem Umfang beseitigt worden.
Beispiel 2
Es wurde wie im Beispiel 1 verfahren, jedoch mit der Ausnahme, daß als Ätzgas BrF- verwendet wurde. Die Ergebnisse waren die gleichen wie beim Beispiel 1.
Beispiel 3
Es wurde wie im Beispiel 1 vorgegangen, nur daß das Ätzmittel unter einen Gesamtdruck von 101 325 Pa (1 atm) gestellt wurde. Dieser Druck wurde dadurch eingestellt, daß ein Gemisch aus ClF- zu 5 % in Helium verdünnt wurde. Die Kammer wurde mit einem Argonstrom gereinigt, und es wurde in die Kammer ein ausreichend starker Strom des Helium/ Chlortrifluorid-Gemisches eingeleitet, und zwar solange, bis der gemessene Druck in der Kammer bei etwa 101 325 Pa (1 atm) verblieb. Zusätzlich wurde die Probe durch Wider-
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Standsheizung des Substrathalters auf eine Temperatur von 86 0C aufgeheizt. Durch dieses Aufheizen sollte sichergestellt werden, daß durch den Ätzvorgang entstehende Stoffe sich nicht auf der Hybridschaltung ablagerten.
Beispiel 4
Ein η-leitender Siliciumwafer mit einem Durchmesser von 7,62 cm (3 Zoll), dessen Hauptfläche in der kristallographischen (100)-Ebene lag, wurde mit einem 1 um dicken SiIiciumdioxidmuster maskiert. Dieses Muster wurde gebildet aus Siliciumdioxid-Quadraten mit 5 mm Kantenlänge, die die gesamte Waferoberfläche bedeckten und voneinander durch eine 285 um breite Zone des Siliciumsubstrats. getrennt waren. Proben, die typischerweise 3 mm an einer Seite maßen, wurden von dem maskierten Wafer abgespalten. Die Proben wurden durch aufeinanderfolgendes Abspülen in Methylendichlorid, Aceton und Methanol gereinigt und dann in eine 50 %ige wäßrige HF-Lösung eingetaucht, um etwaiges natürliches Oxid zu entfernen. Vor dem Einsatz wurde die Probe in deionisiertem Wasser gespült und in reinem Stickstoff trockengeblasen.
Die Probe wurde auf dem Probenhalter in einer Aluminium-
kammer angeordnet. Die Apparatur wurde bis auf einen Druck von etwa 0,6666 Pa (5 mTorr) evakuiert, und die Probe wurde durch Widerstandsheizung des Probenhalters auf einer Temperatur von etwa 23 eC gehalten. In die Kammer wurde ein BrF_-Strom eingegeben und so reguliert, daß in der Kammer ein Druck von etwa 133,3 Pa (1 Torr) entstand. Nach etwa 5 Minuten wurde der BrF_-Strom abgeschaltet, und der Reaktor wurde erneut evakuiert. Die Apparatur wurde dann erneut mit Helium unter einem Druck von 101 325 Pa (1 atm) gefüllt.
Die Probe wurde aus der Ätzapparatur entfernt und in eine 50 %ige wäßrige HF-Lösung genügend lange eingetaucht, um das durch Siliciumoxid maskierte Material zu entfernen. Dann wurden die Proben mit Hilfe eines optischen Mikroskops betrachtet. Hierbei zeigte sich, daß Ätztiefen von etwa 25 um in den freiliegenden Zonen des Siliciumwafers vorhanden waren. Dies entspricht einer Ätzgeschwindigkeit von annähernd 5 μπι pro Minute.
Beispiel 5
Um die Ätzgeschwindigkeit von Siliciumdioxid in BrF- zu messen, wurde der gleiche Versuch durchgeführt wie im Beispiel 4, mit der Ausnahme, daß die Behandlungszeit auf
30 Minuten ausgedehnt wurde. Die Dicke der Siliciumoxidmaske wurde vor und nach der Gasbeaufschlagung mit Hilfe eines optischen Dickenmessers (Nanospec-Monitor) gemessen. Es wurde keine nachweisbare Änderung der Dicke der Oxidmaske festgestellt. (Die kleinste von dieser Meßanlage nachweisbare Dickenänderung betrug etwa 0,2 nm pro Minute pro 133,3 Pa (1 Torr).)
Beispiel 6
Ein einen Durchmesser von 10,16 cm (4 Zoll) aufweisender η-leitender Siliciumwafer, dessen Hauptfläche in der kristallographischen (100)-Ebene lag, wurde'vollständig mit einer 1 um dicken Schicht aus Siliciumdioxid maskiert. Dann wurde über das Siliciumdioxid eine 1 μπι dicke TaSi^-Schicht aufgebracht. Proben, die auf der Seite 1 cm maßen, wurden von dem Wafer abgespalten. Die Proben wurden gereinigt durch nacheinanderfolgendes Spülen in Methylendichlorid, Aceton und Methanol, und sie wurden mit reinem Stickstoff trockengeblasen. Die Proben wurden auf dem Probenhalter in einer Aluminiumkammer angeordnet. Die Apparatur wurde bis auf einen Druck von 0,6666 Pa (5 inTorr) evakuiert, und die Proben wurden auf einer Temperatur von etwa 80 °C gehalten. Es wurde ein ErF3-Strom erzeugt und so reguliert, daß in der Kammer ein Druck von 666*6 Pa (5 Torr) des BrF_ ent-
stand. Nach etwa 2 Minuten wurde der BrF3-Strom beendet, und der Reaktor wurde erneut evakuiert. Anschließend wurde die Apparatur erneut mit Helium bei einem Druck von 101 325 Pa (1 atm) gefüllt. Von der gesamten Oberfläche der Siliciumdioxidschicht war das TaSi- vollständig entfernt .
Beispiel 7
Es wurde wie beim Beispiel 6 vorgegangen, mit der Ausnahme, daß auf das 1 μπι dicke Siliciumdioxid Ta aufgebracht wurde. Die Ta-Schicht wurde bei einem Druck von 666,6 Pa (1 Torr) zwei Minuten lang ClP3 ausgesetzt, während die Probe auf einer. Temperatur von 70 0C gehalten wurde. Diese Schicht wurde von der gesamten Oberfläche der Siliciumdioxidschicht vollständig entfernt.

Claims (9)

  1. Patentansprüche
    ry. Bauelement-Herstellungsverfahren, bei dem ein Substrat einem Ätzmittel ausgesetzt wird, damit eine erste Substratzone in bezug auf eine zweite Zone selektiv geätzt wird, und das Bauelement fertiggestellt wird, dadurch gekennze ichnet, daß das Ätzmittel ein mehratomiges Halogenfluorid ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet , daß das mehratomige Halogenfluorid ausgewählt wird aus BrF-, BrF-, ClF- und IF5.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet , daß die erste Zone eine nichtoxidische Tantal-Zusammensetzung aufweist.
    Radecfcestrafle 43 8C0O München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 5212313 Telegramm· Patintconsult Sonnunhoroer Strnfl« 4Ϊ A'fin Wiesbaden Tnlefon (ΠΑ121! 562943/561998 Telex 41867J7 Teleoramm* Pafenteoniult
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet / daß die Tantalzusaimnensetzung mindestens einen der Stoffe Tantal, Tantalnitrid und Tantalsilicid enthält.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Zone ein Tantaloxid aufweist.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet , daß die erste Zone mindestens einen der Stoffe Silicium, Molybdänsilicid, Molybdän, Wolfram und Wolframsilicid enthält.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Zone ein Siliciumoxid und/oder ein Siliciumnitrid enthält.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet , daß das Bauelement ein Halbleiterbauelement ist.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß das Bauelement eine integrierte Hybrid-Schichtschaltung enthält.
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