DE3427599C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Halb­ leiterbauelementen oder integrierten Hybrid-Schichtschaltungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Häufig ist bei der Herstellung von Halbleiter­ bauelementen das selektive Ätzen von Stoffen notwendig. So beispielsweise ist es bei der Herstellung geeignet strukturierter Gateoxide wünschenswert, eine Siliciumzone so zu entfernen, daß eine darunter- oder danebenliegende Siliciumoxid-Zone nicht nennenswert beschädigt wird. Hierzu wird häufig vom Plasmaätzen oder vom reaktiven Ionenätzen Gebrauch ge­ macht.
Durch spezielle Wahl der Prozeßbedingungen und Gase wird die Ab­ traggeschwindigkeit 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 vorteilhaft ist, 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 die­ sen Stoffen Lochbildungen hervorgerufen, oder es werden die elektronischen Oberflächenzustände in nicht akzeptierbarer Weise modifiziert. Lochbildungen und die Modifizierung elektronischer Zustände sind bei vielen Bauelement-Anwen­ dungen nicht wünschenswert, da diese Erscheinungen häufig zu fehlerhaften Bauelementstrukturen und somit zu Bauelement- Fehlfunktionen führen. Außerdem führt die Verwendung eines Plasmas häufig zum Niederschlag von Verunreinigungsstoffen auf der Substratoberfläche. Diese Verunreinigungsstoffe, beispielsweis durch das Plasmagas und/oder nicht-flüchtige Metalle des Reaktionsgefäßes, z. B. Aluminium, erzeugte Ver­ bindungen verschlechtern entweder die Eigenschaften der Bauelemente oder behindern nachfolgende Verarbeitungsschritte.
Als Alternative zu dem Plasmaätzen gibt es das Naßätzen, das jedoch auch Probleme aufweist. Beispielsweise führt das chemische Naß­ ätzen zu Schwierigkeiten bei der Handhabung und Aufbringung der zugehörigen Chemikalien. Wenn außerdem die Temperatur und die Konzentration der Reagenzien nicht sorgfältig ge­ steuert 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 das Plasmaätzen und das chemische Naßätzen eine gewisse Selekti­ vität zwischen dem zu ätzenden und dem benachbarten Mate­ rial bieten, so ist im allgemeinen doch die Selektivität nicht besonders hoch. Bei typischen Ätzanlagen ist die Selektivität, das ist die Ätzgeschwindigkeit für eine ge­ wünschte 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.
In Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist von H. F. Winters in Applied Physics Letters, 34, 1979, Seite 70 bis 73 ein Herstellungsverfahren für Halbleiterbauelemente beschrie­ ben, bei dem Xenon-Difluorid bei Abwesenheit eines Plasmas eine selektive Ätzung zwischen z. B. Siliciumdioxid und Silicium bewirkt. Allerdings sind Edelgas-Halogenide im allgemeinen unstabil und relativ kostspielig und mithin keine besonders gute Lösung der mit anderen Herstellungsverfahren verbundenen Probleme. In der GB-PS 11 80 187 ist die Verwendung von Halogen­ fluoriden zum Ätzen und Polieren von Silicium­ flächen vorgeschlagen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art derart weiterzubilden, daß mit einem vergleichsweise billigen Ätzmittel eine hohe Selektivität beim Ätzen der ersten Zone gegenüber der zweiten Zone erzielt wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.
Aus A. F. Holleman und E. Wiberg "Lehrbuch der anorganischen Chemie", Walter de Gruyter & Co., Berlin 1964, Seiten 131 und 132 ist es bekannt, daß die einfachen Halogen­ fluoride unbeständiger und reaktionsfähiger sind als z. B. molekulares Fluor (F2), wobei die Reaktionsfähigkeit vom Halogen Chlor nach dem Halogen J stark zunimmt, und es ist außerdem auch bekannt, daß die chemische Reaktionsfähigkeit der höheren Halogenfluoride durchwegs sehr groß ist (vergl. die o. g. GB-PS 11 80 187).
Es werden Tantal, Tantalnitrid (Stoffe, die durch die Formel Ta x N y mit x < 0 und y 0 dargestellt werden) und Tantalsilicid leicht geätzt im Vergleich zu einem Tantaloxid. Erfindungsgemäß wird die hervorragende Selektivität in der Abwesenheit eines Plasmas und ohne Flüssigätzmittel erzielt. Insbesondere erwiesen sich Materialien wie BrF5, BrF3, ClF3 und IF5 als besonders vorteilhaft zur Erzielung dieser Ergebnisse. 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-Dünnschicht­ widerständen in Verbindung mit Tantaloxid-Dünnschichtkonden­ satoren in integrierten Hybrid-Dünnschichtschaltungen nützlich.
Das selektive Ätzen wird einfach dadurch erreicht, daß man den zu ätzenden Körper einer in gasförmiger Form vorlie­ genden Zusammensetzung mit mehratomigem Halogenfluorid aus­ setzt. Im vorliegenden Zusammenhang soll mehratomiges Mole­ kül ein Molekül mit drei oder mehr Atomen bedeuten. Tantal, Tantalnitride und Tantalsilicide werden durch mehratomige Ha­ logenfluoride selektiv geätzt bezüglich Tantaloxid, wenn die genannten Zusammensetzungen eine Reaktions­ geschwindigkeit von mindestens 1 × 1014 Molekülen pro cm2 pro Sekunde aufweisen, verglichen mit einer Reaktionsge­ schwindigkeit des Tantaloxids, die mindestens 40mal kleiner ist, vorausgesetzt, daß nur flüchtige Fluorid­ produkte, d. h. Fluoride mit Dampfdrücken bei 26°C von mehr als 0,1333 Pa (0,001 Torr) gebildet werden.
Die Anzahl von Fluoratomen in dem mehratomigen Halogen­ fluorid ist nicht signifikant, vorausgesetzt, daß sie in Verbindung mit einem nicht aus Fluor bestehenden Halogenatom vorhanden sind. So beispielsweise erzeugen mehratomigen Halogenfluoride, wie BrF5, BrF3, ClF3 und IF5 das gewünschte Maß an Selektivität. Obschon diese Ver­ bindungen 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 Berüh­ rung gebracht, daß man dieses Gas in einen den Stoff ent­ haltenden 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, z. B. einem inerten Gas zu mischen, und dieses Ge­ misch in den Behälter einzuleiten. 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 allemeinen führen Teil­ drücke des mehratomigen Halogenfluorids von weniger als 0,1333 Pa (1 mTorr) zu extrem niedrigen Ätzgeschwindigkei­ ten, während Teildrücke, die bedeutend über 101 325 Pa (1 atm) liegen, zu unerwünscht hohen Ätzgeschwindigkeiten führen, die aufgrund der damit einhergehenden Schwierig­ keiten 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 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 µm werden daher ganz gewöhnliche Ätzzeiten benötigt. In den meisten Anwendungsfällen ist das Ätzen lediglich auf einen Abschnitt eines Substrats beschränkt, und zwar durch den Einsatz der üblichen Lithographiemethoden, wie beispiels­ weise der Verwendung einer mit einem Muster versehenen organischen Resistmaterialschicht. Nach dem Ätzen wird das Bau­ element 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).
Im folgenden sollen Beispiele der Erfindung erläutert werden.
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 Waschen von Ta2O5 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 defi­ niert, 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 Verstärker­ stufe auf einen Druck von etwa 0,6666 Pa (5 mTorr) evaku­ iert. Dann wurde unter Fortsetzung des Auspumpens der Kammer ein ClF3-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 ClF3-Strom wurde etwa drei Minuten aufrechterhalten und dann beendet. Eine Augenscheinnahme der Hybridschaltung mit einem optischen Mikroskop zeigte, daß das Tantalnitrid vollständig in den­ jenigen Zonen entfernt war, mit denen das Gas in Berührung gekommen war, während freiliegende Gold- oder Tantaloxid­ zonen praktisch unberührt geblieben waren. Die Tantal­ nitrid-Zonen unter dem Photoresistmaterial waren von dem ClF3 nicht beeinflußt worden, und es war auch das Photo­ resistmaterial nicht in nennenswertem Umfang beseitigt worden.
Beispiel 2
Es wurde wie im Beispiel 1 verfahren, jedoch mit der Aus­ nahme, daß als Ätzgas BrF3 verwendet wurde. Die Ergebnisse waren die gleichen wie beim Beispiel 1.
Beispiel 3
Es wurde wie im Beispiel 1 vorgegangen, nur daß das Ätz­ mittel unter einen Gesamtdruck von 101 325 Pa (1 atm) ge­ stellt wurde. Dieser Druck wurde dadurch eingestellt, daß ein Gemisch aus ClF3 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 standsheizung des Substrathalters auf eine Temperatur von 86°C aufgeheizt. Durch dieses Aufheizen sollte sicherge­ stellt werden, daß durch den Ätzvorgang entstehende Stoffe sich nicht auf der Hybridschaltung ablagerten.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Herstellen von Halbleiter­ bauelementen oder integrierten Hybrid-Schichtschaltungen, in dessen Verlauf ein Substrat einem ein Fluorid ent­ haltenden Ätzmittel ausgesetzt wird, um eine erste Substratzone gegenüber einer zweiten Zone selektiv zu ätzen, wobei das Ätzen bei Fehlen von Plasma durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Ätzmittel mindestens ein mindestens drei Atome enthaltendes Halogenfluorid ver­ wendet wird, daß die erste Zone aus Tantal, Tantalnitrid und/oder Tantalsilicid besteht und daß die zweite Zone ein Tantaloxid ist.
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