DE10328578A1 - Hartmaske aus amorphen Kohlenstoff-Wasserstoff-Schichten - Google Patents

Hartmaske aus amorphen Kohlenstoff-Wasserstoff-Schichten Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren offenbart, bei dem eine amorphe Kohlenstoff-Wasserstoff-Schicht als Hartmaskenmaterial mit einstellbarem Ätzwiderstand in einem RIE-Prozeß eingesetzt wird, das bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements den Zusatz eines Schichtbildungsgases zu dem Ätzmittel vermeidet. Der Prozeß umfaßt: DOLLAR A a) Bereitstellen eines Halbleitersubstrats; DOLLAR A b) Ausbilden einer Hartmaske aus einer amorphen Kohlenstoff-Wasserstoff-Schicht durch Plasmaunterstützung über dem Halbleitersubstrat; DOLLAR A c) Ausbilden einer Öffnung in der Hartmaskenschicht, um einen freiliegenden Oberflächenteil der Hartmaskenschicht auszubilden; und DOLLAR A d) Ätzen des freigelegten Oberflächenteils der Hartmaskenschicht ohne Zusatz eines Schichtbildungsgases unter Verwendung von RIE zum Ausbilden eines Grabenstrukturmerkmals mit ausreichender Maskierung und ausreichendem Seitenwandschutz.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft die Verwendung von amorphen Kohlenstoff-Wasserstoff-(a-C:H)-Schichten als Hartmaskenmaterial mit einem einstellbaren Ätzwiderstand und den Einsatz dieser Hartmasken bei reaktiven Ionenätzprozessen (RIE-Prozessen).
  • 2. BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
  • Wegen der zunehmenden Komplexität und der Reduzierung der kleinsten Strukturmerkmalgrößen von Schaltungselementen bei der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente werden zum Erzeugen von Größen im Mikrometer- und Submikrometerbereich aktuelle Belichtungswerkzeuge und hochempfindliche Photoresists verwendet. Da das Naßätzen während der Herstellung bei der Übertragung von Strukturmerkmalen mit feinen Geometrien mehrere kritische Probleme hervorruft, wird reaktives Ionenätzen (RIE) verwendet [das gekennzeichnet ist durch geringe Drücke und hohe Energien beim Ionenbeschuß], weil es gegenüber dem naßchemischen Ätzen mehrere Vorteile aufweist. Die Vorteile sind: Haftungsprobleme sind mit Plasmaätztechniken unkritisch; Trockenätzprozesse erfordern kleine Mengen an Chemikalien; und das Plasmaätzen kann vollautomatisiert ablaufen. RIE eignet sich schließlich besonders aufgrund seiner Fähigkeit, bei niedrigen Temperaturen anisotrop zu ätzen.
  • Mit abnehmender Strukturmerkmalgröße nimmt auch die Schärfentiefe der Lithographie ab und führt zu reduzierter Massendikke, und diese weiche Massendicke reicht nicht länger aus, Ätzprozessen ein Prozeßfenster zuzugestehen, in dem angemessen produziert werden kann. Aus diesem Grund entstehen in der gegenwärtigen Technik viele Hartmaskenprozesse. Dennoch dominiert bei vielen Hartmaskenprozessen das chemische Ätzen, was problematisch ist, weil, z.B. im Fall des Al-RIE- oder Si-Ätzens, wiederabgeschiedener Photoresist erforderlich sein kann, um eine Seitenwandpassivierung zu bewirken und dadurch den Erhalt eines anisotropen Profils zu ermöglichen. Zur Zeit steht bei Verwendung der gegenwärtigen Hartmaskenprozesse dieser Seitenwandschutzmechanismus nicht länger zur Verfügung, was die Steuerung der kritischen Abmessungen (CD – critical dimension) sehr erschwert.
  • Aus van de Sanden et al., Plasma Science, 1993, 7. bis 9. Juni 1993, IEEE Conference Record – Abstracts, 1993 IEEE International Conference, auf Seite 225, ist ein schnelles Abscheiden von a-C:H unter Verwendung eines sich ausdehnenden thermischen Plasmastrahls bekannt. Dieses schnelle Abscheidungsverfahren verwendet ein thermisches Plasma, das sich in ein Vakuumgefäß ausdehnt und a-C:H abscheidet – wobei die abgeschiedene Schicht durch Zumischen von Methan oder Acetylen zu einem Argon-Trägerplasma erzeugt wird.
  • Die Anwendung von diamantartigen Kohlenstoffilmen im Prozeßablauf bei der Herstellung integrierter Schaltungen ist aus Komatsu et al. in Diamond – And Related Materials 8 (1999), Seiten 2018 bis 2021, bekannt. Die Filme aus amorphem diamantartigem Kohlenstoff (DLC – diamond-like carbon) wurden als Resistmaterialien für die Lithographie und als harte Beschichtungen entwickelt, und die Ätzeigenschaften dieser DLC-Filme erhielt man zunächst unter Anwendung einer Parallelplatten-HF-Plasmaglühentladung, von zerlegtem Methangas für die Abscheidung des DLC-Films auf einem Substrat und die Verwendung von Sauerstoff zum Ätzen des Films. Die Ätzrate der DLC-Filme steigt mit abnehmendem Sauerstoffdruck. Bei hohem Druck kam es zu isotropem Ätzen durch neutrale Radikale, da die Form der geätzten Kante nicht vertikal war. Wegen der hohen Vorspannung lagen die Ober- und Unterkante bei geringem Druck vertikal übereinander.
  • Die Chemie für die Seitenwandoberflächen bei gerichteten Ätz prozessen wird von Oehrlein et al. in Materials Science and Engineering, 24 (1998), Seiten 153 bis 183, offenbart. Diese Veröffentlichung betrachtet die für Silizium, Aluminium, SiO2 und Polymermaterialien verwendeten Ansätze, um Ätzreaktionen an Seitenwänden von Mikrostrukturen zu unterdrücken, wobei die Voraussetzung einer erfolgreichen Herstellung von Mikrostrukturen in elektronischen Materialien die Fähigkeit beinhaltet, das Verhältnis ionenverstärkter Ätzreaktionen relativ zu spontanen Ätzreaktionen zu maximieren, und zwar angesichts der Tatsache, daß zur Herstellung vertikaler Ätzprofile die Ätzreaktionsrate in der Sichtlinie des Plasmas groß sein muß, wohingegen die seitliche Ätzrate verschwinden sollte.
  • Aus dem US-Patent 6,316,167 B1 sind einstellbare gasphasenabgeschiedene Materialien als Antireflexbeschichtungen, Hartmaske und als kombinierte Antireflexbeschichtung/Hartmaske bekannt. Die lithographische Struktur umfaßt mehrere Schichten, von denen mindestens eine eine RCHX-Schicht ist, die ein Material der Strukturformel R:C:H:X umfaßt, wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe gebildet aus Si, Ge, B, Sn, Fe, Ti und Kombinationen davon und wobei X nicht vorliegt oder ausgewählt ist aus der Gruppe gebildet aus einem oder mehreren von O, N, S und F, und eine Schicht aus einem energieaktiven Material.
  • Insbesondere bei Prozessen, bei denen chemisches Ätzen dominiert (d.h. Al-RIE – reaktiver Aluminiumionenätzprozeß), besteht ein Bedarf, eine gute Selektivität des potentiellen Hartmaskenmaterials zu erreichen, die für einen steuerbaren Prozeß ausreicht, da die Selektivität von Hartmaskenmaterialien zu dem zu ätzenden Material ziemlich hoch liegt und deshalb die Menge an wiederabgeschiedenen Materialien für einen zuverlässigen Schutz der Seitenwände der wachsenden Strukturmerkmale im Ätzprozeß nicht ausreicht.
  • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereit stellung einer Schicht aus amorphem Kohlenstoff-Wasserstoff (a-C:H) als Hartmaskenmaterial mit einstellbarem Ätzwiderstand für RIE-Prozesse, in denen chemisches Ätzen dominiert.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
  • Bei RIE werden gegenwärtig verschiedene Hartmaskenmaterialien verwendet, und zu diesen Materialien zählen W, SiO2 , SiON, SiOC und SiC. Alle diese Materialien weisen gegenüber den zu ätzenden Materialien eine hohe Selektivität auf und eignen sich deshalb allgemein für Hartmaskenanwendungen.
  • Bei Prozessen, die von chemischem Ätzen dominiert werden (d.h. Al-RIE), reicht für einen steuerbaren Prozeß eine gute Selektivität eines potentiellen Hartmaskenmaterials nicht aus. Dies ist dadurch begründet, daß bei dieser Art des Ätzens, ein anisotropes Profil nicht dadurch erreicht werden kann, daß ein stark gerichtetes Plasma angelegt wird, und zwar aufgrund der Tatsache, daß reaktive Spezies ungeladen sind und ihre Bewegungsrichtungen deshalb nicht auf die Richtung des elektrischen Felds beschränkt sind. Für diese Art von Ätzprozeß ist in der Tat eine ausgezeichnete Seitenwandpassivierung unerläßlich.
  • Bei bisherigen Resistprozessen sorgte für diese Seitenwandpassivierung der Photoresist selbst, der im Verlauf der Ätzung an den Seitenwänden wieder abgeschieden wird. Diese Art der Seitenwandpassivierung steht bei gegenwärtigen Hartmaskenprozessen jedoch nicht länger zur Verfügung. Da Hartmaskenmaterialien zu dem zu ätzenden Material eine recht hohe Selektivität aufweisen, reicht die für das Wiederabscheiden an den Seitenwänden zur Verfügung stehende Menge an Material im allgemeinen nicht aus, um diese Seitenwände der wachsenden Strukturmerkmale zuverlässig zu schützen.
  • Bisher gab es zwei Verfahren, um dieses Problem anzugehen:
    • (1) Der Photoresist bleibt nach dem Öffnen der Hartmaske vorhanden. So steht der Photoresist bei Beginn des Ätzens weiter zur Verfügung. Da der Resist vor dem Ende des Ätzens vollständig verbraucht wird, tritt in der Mitte des Ätzprozesses beim Seitenwandpassivierungsmechanismus eine signifikante Änderung auf (was bei vergleichsweise niedrigen Stapeln nachteilig ist und bei höheren Stapeln ein echtes Problem darstellt); und (2) Der Photoresist wird nach dem Öffnen der Hartmaske abgelöst. So wird beim Seitenwandpassivierungsmechanismus eine zwischenzeitliche Änderung vermieden. Da Hartmaskenmaterialien (aus ihnen eigenen Gründen) keine ausreichende Wiederabscheidung/Seitenwandpassivierung bereitstellen können, muß zur Bereitstellung der Passivierung der Ätzchemie eine weitere Komponente zugesetzt werden. Bei dieser Komponente kann es sich beispielsweise um einen Kohlenwasserstoff handeln, der unter dem Einfluß eines Plasmas bekanntlich dichte Schichten leicht ausbildet. Der Nachteil bei diesem Prozeßverfahren besteht jedoch darin, daß diese Passivierungsschicht nicht nur auf den Seitenwänden der wachsenden Strukturmerkmale abgeschieden wird, sondern gleichzeitig in der ganzen Ätzkammer. Dadurch ergibt sich ein größerer Wartungsaufwand, da Abscheidungen von Kohlenwasserstoff bei Überschreiten einer kritischen Dicke bekanntlich reißen, abblättern und Teilchen bilden.
  • Die Erfindung löst die obigen Probleme durch das Abscheiden amorpher Kohlenstoff-Wasserstoff-Schichten in einem Plasma aus gasförmigen organischen Verbindungen, Mischungen aus verschiedenen gasförmigen organischen Verbindungen oder Mischungen aus gasförmigen organischen und anorganischen Verbindungen. Diese Schichten werden auch als DLC-Schichten (diamond-like carbon – diamantartiger Kohlenstoff) oder als Plasmapolymere bezeichnet; für diese Ausdrücke existiert jedoch keine präzise Definition. Wenngleich DLC allgemein ein mechanisch hartes Material bezeichnet, das gekennzeichnet ist durch einen hohen Anteil von sp3-konfigurierten Kohlenstoffatomen, so kann man die Härte von Plasmapolymeren fast mit der Härte herkömmlicher Poly mere vergleichen. Der umfassendste Ausdruck für diese Schichten ist deshalb "amorphe Kohlenstoff-Wasserstoff-Schicht".
  • Wenngleich diese DLC-Schichten aus der gleichen Art von Gasen durch Plasmaunterstützung abgeschieden werden, bestimmen die Plasmaparameter allgemein, welche Art von Schicht man erhält. Hohe Plasmaleistung und hohe Vorspannungen von etwa 800 V oder darüber ergeben mechanisch harte und hochgradig vernetzte Schichten. Im unteren Leistungsbereich von etwa 20 V hingegen werden weichere Materialien mit einem niedrigeren Grad an Vernetzung abgeschieden. Dazwischen können diese Eigenschaften einfach durch Anpassen der Plasmaparameter graduell variiert werden.
  • Der wesentliche Punkt der Offenbarung der vorliegenden Erfindung ist, daß diese Variation der Filmeigenschaften (Vernetzungsgrad, sp3/sp2-Verhältnis, Härte) auch den Ätzwiderstand dieses Materials beeinflußt. Ein im hohen Leistungsbereich abgeschiedenes Material weist einen dem anderer Hartmaskenmaterialien (wie etwa W, SiO2, SiON, SiOC) vergleichbaren oder noch höheren Ätzwiderstand auf. Im unteren Leistungsbereich (Plasmapolymer) weist das Material einen Ätzwiderstand in der gleichen Größenordnung wie ein Photoresist auf. Zwischen diesen extremen Einstellungen der Plasmaparameter kann der Ätzwiderstand von a-C:H-Filmen auf die Erfordernisse der Anwendung, von photoresistartig bis hartmaskenartig, präzise zugeschnitten werden. Andere Hartmaskenmaterialien bieten diese Möglichkeit nicht, da es sich bei ihnen um anorganische Materialien handelt und sie deshalb, falls überhaupt, eine begrenzte Anzahl verschiedener Stöchiometrien zulassen, was einen sehr begrenzten Bereich verschiedener Ätzwiderstände ergibt.
  • Einige der gegenwärtigen Hartmasken liefern Ätzwiderstände, die mehr als ausreichend sind (z.B. W-Hartmaske für Al-RIE), aber keine Seitenwandpassivierung haben, weil nur wenig Material entfernt wird (was gleichzeitig bedeutet, daß sehr wenig Material wieder abgeschieden werden kann).
  • Es wäre somit vorteilhaft, auf einen Teil des Ätzwiderstands zu verzichten, wenn man dafür eine verbesserte Seitenwandpassivierung erhalten könnte. Genau dies kann mit einer a-C:H-Hartmaske erreicht werden, aber nicht mit anderen Hartmaskenmaterialien. Mit einem ungefähr zwischen den typischen Hartmasken und einem Photoresist eingestellten Ätzwiderstand kann man ohne zusätzliche Ätzgaskomponente sowohl eine ausreichende Maskierung als auch einen Seitenwandschutz erreichen. Folglich kann der Ätzwiderstand der a-C:H-Schicht an die Erfordernisse jeder Ätzanwendung angepaßt werden (d.h. Stapelhöhe, Ätzbedingungen usw.) Der Einsatz von a-C:H-Filmen als Hartmaske führt weiterhin zu größeren Prozeßfenstern und größerer Prozeßstabilität, da es in der Mitte des Prozesses beim Seitenwandpassivierungsmechanismus zu keiner Änderung kommt. Außerdem ist der Zusatz eines Schichtbildungs-gases zum Ätzmittel nicht länger erforderlich, und dies verlängert die Wartungsintervalle und vereinfacht den Prozeß.
  • Folgendes sind weitere Vorteile beim Einsatz von a-C:H-Material:
    • (1) a-C:H kann durch Sauerstoff- oder Wasserstoffplasmen strukturiert werden;
    • (2) Das Material kann als Antireflexbeschichtungen verwendet werden. Als Beispiel im Fall der folgenden zweilagigen Struktur: Während des ersten Teils der Abscheidung werden die Plasmaparameter so gewählt, daß man das Maskierungsmaterial erhält. Wenn die gewünschte Filmdicke abgeschieden worden ist, werden die Plasmaparameter auf einen Satz umgeschaltet, der die Antireflexbeschichtung ergibt; und
    • (3) a-C:H kann unter den gleichen Bedingungen wie der Photoresist trocken abgelöst werden.
  • Bei zum Definieren von mikroskopischen Strukturmerkmalen für integrierte Schaltungen verwendeten Plasmaätzprozessen gibt es Unterschiede bei den chemischen Oberflächenprozessen, die an den Oberflächenteilen in der Sichtlinie des Plasmas und an den Seitenwänden des Mikrostrukturelements, das geätzt wird, auftreten, und diese Unterschiede sind beim Bestimmen des Oberflächenprofils des endgültigen Mikrostrukturelements von kritischer Bedeutung. Falls beispielsweise gerade Seitenwände angestrebt werden, sollte es entweder an der Seitenwand zu keiner Reaktion kommen oder die Abscheidungsrate und die Ätzrate müssen präzise ausgeglichen sein. Da dieser Idealfall jedoch nicht erreicht wird, ergibt sich an den Seitenwänden unter dem Strich entweder eine Ätz- oder eine Abscheidungsreaktion. Die Nettoabscheidungsreaktion an den Seitenwänden bildet Filme, die als Seitenwandpassivierungsschichten bekannt sind. Da diese Seitenwandpassivierungsschichten den seitlichen Angriff von Ätzmittelspezies verlangsamen oder anhalten, ist es wichtig, den Prozeß zu steuern.
  • Allgemein wird der Erfindungsprozeß, a-C:H-Schichten als Hartmaskenmaterialien mit einstellbarem Ätzwiderstand in einem RIE-Prozeß einzusetzen, der bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements den Zusatz eines Schichtbildungsgases zu dem Ätzmittel vermeidet, erreicht durch:
    • a) Bereitstellen eines Halbleitersubstrats;
    • b) Ausbilden einer Hartmaske aus einer amorphen Kohlenstoff-Wasserstoff-Schicht (a-C:H-Schicht) durch Plasmaunterstützung über dem Halbleitersubstrat;
    • c) Ausbilden einer Öffnung in der Hartmaskenschicht, um einen freiliegenden Oberflächenteil der Hartmaskenschicht auszubilden; und
    • d) Ätzen des freigelegten Oberflächenteils der Hartmaskenschicht ohne Zusatz eines Schichtbildungsgases unter Verwendung von RIE zum Ausbilden eines Grabenstrukturmerkmals mit ausreichender Maskierung und ausreichendem Seitenwandschutz.

Claims (11)

  1. Verfahren unter Verwendung einer amorphen Kohlenstoff-Wasserstoff-Schicht als Hartmaskenmaterial mit einstellbarem Ätzwiderstand in einem reaktiven Ionenätzprozeß, das bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements den Zusatz eines Schichtbildungsgases zu dem Ätzmittel vermeidet, umfassend: a) Bereitstellen eines Halbleitersubstrats; b) Ausbilden einer Hartmaske aus einer amorphen Kohlenstoff-Wasserstoff-Schicht durch Plasmaunterstützung über dem Halbleitersubstrat; c) Ausbilden einer Öffnung in der Hartmaskenschicht, um einen freiliegenden Oberflächenteil der Hartmaskenschicht auszubilden; und d) Ätzen des freigelegten Oberflächenteils der Hartmaskenschicht ohne Zusatz eines Schichtbildungsgases unter Verwendung von RIE zum Ausbilden eines Grabenstrukturmerkmals mit ausreichender Maskierung und ausreichendem Seitenwandschutz.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zwischen den Schritten b) und d) eine über der Hartmaskenschicht liegende Antireflexschicht aus amorphem Kohlenstoff-Wasserstoff ausgebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in Schritt c) durch die Plasmaunterstützung eine amorphe Kohlenstoff-Wasserstoff-Schicht in einem Plasma aus einer gasförmigen organischen Verbindung, Mischungen aus verschiedenen gasförmigen organischen Verbindungen oder Mischungen aus gasförmigen organischen und anorganischen Verbindungen abgeschieden werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der reaktive-Ionenätzprozeß ein reaktiver Aluminiumionenätzprozeß ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Plasma Sauerstoff ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Plas ma Wasserstoff ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Plasma Argon ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei dem Argon Methan beigemischt ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei dem Argon Acetylen beigemischt ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zwischen den Schritten a) und b) eine Isolierschicht ausgebildet wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei vor Schritt b) über der Isolierschicht in Schritt a) eine Haftschicht, die Silizium umfaßt, ausgebildet wird.
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