DE4232475A1 - Plasma chemical dry etching of silicon nitride layers - includes using cpds. contg. fluorine, chlorine bromine and iodine as etching gases - Google Patents

Plasma chemical dry etching of silicon nitride layers - includes using cpds. contg. fluorine, chlorine bromine and iodine as etching gases

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Abstract

Plasma chemical dry etching of Si3N4 layers highly selective to Si02 layers comprises using cpds. as etching gases, in which each of a F atom and one of Cr, Br and I in the molecule are bonded to a carbon structure. Pref. fluorochlorohydrocarbons of structure CxFyclz (where x, y and z = 1 or more) are used as etching gases; or fluorobromohydrocarbons of structure CxFyBrz (where x, y and z = 1 or more); or fluoroiodohydrocarbons of structure CxFyIz (where x, y and z = 1 or more). Hydrogen, oxygen and/or nitrogen atoms can be built into the structure: CxHaObNcFyClzBruIv (where x, y = 1 or more; not a = b = c = 0 and not z = u = v = 0). An inert gas (He, Ne, Ar, Kr, Xe) is used as carrier gas or N2, O2 or H2 is used. USE/ADVANTAGE - Used in semiconductor technology. Selectivity of 15:1 can be achieved without detecting problematic molecular Cl.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum plasmachemischen Trockenätzen von Siliziumnitridschichten hochselektiv zu Siliziumoxidschichten.The invention relates to a method for plasma chemical mixing Dry etching of silicon nitride layers is highly selective Silicon oxide layers.

Zum Stand der Ätztechnik in der Halbleitertechnologie wird auf D. Widmann et al, "Technologie hochintegrierter Schal­ tungen", Springerverlag Berlin 1988, insbesondere auf die Abschnitte 5.2.2 und 5.3.1 hingewiesen.The state of etching technology in semiconductor technology on D. Widmann et al, "Technology of highly integrated scarf tungen ", Springerverlag Berlin 1988, especially on the Sections 5.2.2 and 5.3.1 noted.

Beim plasmachemischen Ätzen, beispielsweise in einem kon­ ventionellen Barrelreaktor, werden als Ätzmittel gasförmi­ ge Verbindungen eingesetzt, die mit dem Material der zu entfernenden Schicht ein gasförmiges, flüchtiges Reaktions­ produkt bilden. Die im Plasma des Ätzreaktors entstehenden neutralen reaktiven Teilchen (Radikale) diffundieren zu den im Reaktor befindlichen Prozeßscheiben und reagieren dort spontan und exotherm mit den Oberflächenatomen der zu ätzenden Schicht. Das Reaktionsprodukt diffundiert an­ schließend von der Scheibe weg. Beim plasmachemischen Ät­ zen erfolgt der Ätzangriff isotrop, d. h. gleichförmig in jede Richtung.In plasma chemical etching, for example in a con conventional barrel reactor, are gaseous as etching agents Ge connections used with the material of the removing layer a gaseous, volatile reaction form product. The resulting in the plasma of the etching reactor neutral reactive particles (radicals) diffuse to the process disks in the reactor and react there spontaneous and exothermic with the surface atoms of the caustic layer. The reaction product diffuses closing away from the pane. With plasma chemical etching Zen etching is isotropic, i. H. uniform in any direction.

Als Variante des plasmachemischen, isotropen Ätzens sind Downstream- oder Afterglow-Reaktoren ("Remote plasma") be­ kannt geworden. Dabei wird das Plasma nicht direkt im Reaktor, sondern in einer Entladekammer erzeugt. Die dort erzeugten reaktiven Spezies strömen in der Folge über eine Leitung in die Ätzkammer, in der sich die zu ätzenden Scheiben befinden. Der große Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die Prozeßscheibe vor dem Beschuß mit hochenergetischen Ionen, die ebenfalls durch die Gasent­ ladungen erzeugt werden, abgeschirmt ist. Beschädigungen sowohl im Hinblick auf das Kristallgitter, als auch auf Kontamination durch gesputterte Fremdstoffe sind somit minimal.As a variant of plasma chemical, isotropic etching Downstream or afterglow reactors ("remote plasma") be became known. The plasma is not directly in the Reactor, but generated in an unloading chamber. These generated reactive species subsequently flow over a Line into the etching chamber in which the to be etched Washers. The big advantage of this procedure lies in the fact that the process disk with the bombardment  high-energy ions, also by the gas ent charges are generated, is shielded. Damage with regard to the crystal lattice as well Contamination from sputtered foreign substances are therefore minimal.

Siliziumnitrid (Si3N4)-Schichten werden in der Halbleiter­ technologie hauptsächlich als Barriereschichten gegen Dif­ fusionen aller Art und zur Passivierung von fertigen inte­ grierten Schaltungen gegen das Eindringen von korrosiven und kontaminierenden Stoffen verwendet. Oftmals, insbeson­ dere beim sogenannten LOCOS-Prozeß, ist es erforderlich, die Siliziumnitridschicht ganzflächig und sehr selektiv zur Unterlage aus Siliziumoxid (SiO2) zu entfernen. Da es in diesen Fällen nicht um Strukturierungsprozesse geht, können vorteilhaft isotrope, die Scheibenoberfläche scho­ nende Ätzprozesse eingesetzt werden. Da Fluor als einzige Halogenspezies spontan mit Si3N4 reagiert, ist jedoch die Wahl der Ätzmittel beim plasmachemischen Ätzen stark ein­ geschränkt. Üblicherweise werden Mischungen aus CF4 als Fluorlieferant und anderen nicht halogenhaltigen Gasen (z. B. O2 und N2) verwendet.Silicon nitride (Si 3 N 4 ) layers are mainly used in semiconductor technology as barrier layers against diffusions of all kinds and for passivation of finished integrated circuits against the penetration of corrosive and contaminating substances. Often, especially in the so-called LOCOS process, it is necessary to remove the entire area of the silicon nitride layer and very selectively from the silicon oxide (SiO 2 ) base. Since structuring processes are not involved in these cases, it is advantageous to use isotropic etching processes that protect the wafer surface. Since fluorine is the only halogen species that reacts spontaneously with Si 3 N 4 , the choice of etchants in plasma-chemical etching is very limited. Mixtures of CF 4 as a fluorine supplier and other non-halogen-containing gases (e.g. O 2 and N 2 ) are usually used.

Generell ist festzuhalten, daß die Selektivität zwischen der Si3N4-Schicht und der darunterliegenden SiO2-Schicht bei allen bisher üblichen, nur fluorhaltige Gase verwen­ denden Prozessen eher gering ist (maximal 10 : 1). Für neue Chipgenerationen muß jedoch, insbesondere aufgrund der immer dünner werdenden Schichtdicken, eine Selektivi­ tät von mindestens 15 : 1 erreicht werden. Da dies mit konventionellen Ätzgasmischungen nicht erreichbar ist, wurde neuerdings (N. Hayasaka et al, Solid State Technolo­ gy/April 1988, Seiten 127 bis 130) vorgeschlagen, als Ätzgasmischung einen Fluorlieferanten, beispielsweise NF3 und zusätzlich, zur Erhöhung der Selektivität, Chlor (Cl2) zu verwenden. Auf diesem Wege kann zwar die Selektivität auf mehr als 30 : 1 gesteigert werden, jedoch ist moleku­ lares Chlor ein giftiges, aggressives Ätzgas mit stark korrosiven Eigenschaften. Aus anlagentechnischen und aus gesundheitlichen Gründen sollte ein Einsatz von Chlor mög­ lichst vermieden werden.In general, it should be noted that the selectivity between the Si 3 N 4 layer and the underlying SiO 2 layer is rather low in all processes which have hitherto been customary and only use fluorine-containing gases (maximum 10: 1). For new chip generations, however, a selectivity of at least 15: 1 must be achieved, especially due to the thinning layer thicknesses. Since this cannot be achieved with conventional etching gas mixtures, it has recently been proposed (N. Hayasaka et al, Solid State Technology / April 1988, pages 127 to 130) that a fluorine supplier, for example NF 3 and additionally, to increase the selectivity, chlorine be used as the etching gas mixture (Cl 2 ) to use. In this way, the selectivity can be increased to more than 30: 1, but molecular chlorine is a toxic, aggressive etching gas with highly corrosive properties. For technical and health reasons, the use of chlorine should be avoided as far as possible.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der ein­ gangs genannten Art anzugeben, daß eine Selektivität von mindestens 15 : 1 aufweist, ohne jedoch auf das problema­ tische molekulare Chlor angewiesen zu sein.The object of the invention is therefore a method of Specify the type mentioned above that a selectivity of has at least 15: 1, but without the problem molecular chlorine.

Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs angege­ benen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Ätzgase Verbindungen eingesetzt werden, bei denen jeweils minde­ stens ein Fluoratom und ein Atom aus der Gruppe Chlor, Brom und Jod in der Molekülstruktur an ein Kohlenstoffge­ rüst chemisch gebunden sind.This task is given in a method of the beginning benen type solved according to the invention in that as etching gases Connections are used in which at least at least one fluorine atom and one atom from the group chlorine, Bromine and iodine in the molecular structure to a carbon ge are chemically bound.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Im folgenden wird die Erfindung anhand ei­ nes Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.Further developments of the invention are in the subclaims featured. In the following the invention is based on ei Nes embodiment explained in more detail.

Erfindungsgemäß erhält man durch Bindung der aggressiven Fluor- und Chloratome an Kohlenstoffatome besonders hand­ habbare Ätzgase. Diese sogenannten Halogenkohlenstoffe sind im allgemeinen ungiftig, nicht korrosiv sowie anla­ gentechnisch und aus gesundheitlichen Gründen gut handhab­ bar. Im gegebenen Zusammenhang sind insbesondere die Un­ giftigkeit und Reaktionsträgheit der Fluorchlorkohlenstof­ fe von Vorteil. Als Beispiele seien CF3Cl, CF2Cl2, CFCl3, C2F5Cl, C2F4Cl2, C2F3Cl3 usw. genannt.According to the invention, particularly manageable etching gases are obtained by binding the aggressive fluorine and chlorine atoms to carbon atoms. These so-called halocarbons are generally non-toxic, non-corrosive and genetically engineered and easy to handle for health reasons. In the given context, the Un toxicity and inertness of the chlorofluorocarbons are particularly advantageous. Examples include CF 3 Cl, CF 2 Cl 2 , CFCl 3 , C 2 F 5 Cl, C 2 F 4 Cl 2 , C 2 F 3 Cl 3 , etc.

Der positive Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im übrigen nicht dadurch eingeschränkt, daß in der Mole­ külstruktur des Fluorkohlenstoffs Wasserstoffatome und/ oder Sauerstoff- und/oder Stickstoffatome eingebaut sind. The positive effect of the method according to the invention is otherwise not restricted by the fact that in the mole cooling structure of the fluorocarbon hydrogen atoms and / or oxygen and / or nitrogen atoms are installed.  

Einfache Vertreter dieser Verbindungen sind beispielsweise CHF2Cl und CH2FCl. Eine allgemeine Formel für diese Ver­ bindungen lautet CxHaObNcFyClzBruIv.Simple representatives of these compounds are, for example, CHF 2 Cl and CH 2 FCl. A general formula for these compounds is C x H a O b N c F y Cl z Br u I v .

Durch weitergehende Versuche wurde festgestellt, daß der positive Effekt auf die Selektivität auch dann eintritt, wenn die Chloratome durch Brom und/oder Jod substituiert bzw. durch diese ergänzt werden. Bei der Auswahl einer ge­ eigneten Verbindung ist jedoch immer darauf zu achten, daß das Ätzmittel mit dem zu entfernenden Material eine flüch­ tige Verbindung bildet und daß das Ätzmittel einen genü­ gend großen Dampfdruck besitzt.Through further experiments it was found that the positive effect on selectivity also occurs if the chlorine atoms are substituted by bromine and / or iodine or be supplemented by these. When choosing a ge suitable connection, however, it must always be ensured that the etchant with the material to be removed is cursed term connection and that the etchant a sufficient has high vapor pressure.

Alle Versuche wurden an einer Standard-Downstreamanlage der Firma Tylan Tokuda durchgeführt. Als Ätzgase wurden CF3Cl, CF2Cl2, CBrF3 und CIF3 verwendet. Folgende typische Hauptprozeßparameter konnten festgelegt werden:All tests were carried out on a standard downstream system from Tylan Tokuda. CF 3 Cl, CF 2 Cl 2 , CBrF 3 and CIF 3 were used as etching gases. The following typical main process parameters could be defined:

Prozeßdruck: 1 bis 500 Pa
Gasfluß (CF3Cl): 3 bis 3000 sccm
Mikrowellenleistung: 50 bis 5000 W
Scheibentemperatur: 0 bis 80°C.Process pressure: 1 to 500 Pa
Gas flow (CF 3 Cl): 3 to 3000 sccm
Microwave power: 50 to 5000 W.
Disc temperature: 0 to 80 ° C.

Die Obergrenze der Temperatur war anlagentechnisch auf 80°C beschränkt. Höhere Temperaturen steigern die Ätzrate und können somit bei anderen Anlagen von Vorteil sein.The upper limit of the temperature was on the system Limited to 80 ° C. Higher temperatures increase the etch rate and can therefore be an advantage for other systems.

Maschinenspezifische Parameter bei einem anderen Equipment beeinflussen das Prinzip der erfindungsgemäßen Ätzung nicht und können jeweils auf einfache Weise optimiert wer­ den. Bei einer hinreichenden Feinabstimmung können auch gute Ergebnisse mit anderen als den zuvor genannten Haupt­ parametereinstellungen erzielt werden. Mit neueren Anlagen können beispielsweise auch Prozeßdrücke weit unter 1 Pa erreicht werden, was den Prozeß eher positiv beeinflussen kann. Ist neben der hohen Selektivität zusätzlich die Op­ timierung anderer Eigenschaften des Ätzprozesses er­ wünscht, so ist dies auf einfache Weise durch Beimischung einer nicht halogenhaltigen kohlenstoff-, stickstoff-, sauerstoff- oder wasserstoffhaltigen Verbindung zur Ätz­ gasmischung möglich. Außerdem kann der Ätzgaszusammenset­ zung ohne weiteres ein Trägergas, z. B. ein inertes Edel­ gas (He, Ne, Ar, Kr, Xe), oder Stickstoff, Sauerstoff bzw. Wasserstoff beigemischt werden.Machine-specific parameters for other equipment influence the principle of the etching according to the invention not and can each be optimized easily the. With sufficient fine tuning, too good results with main other than the aforementioned parameter settings can be achieved. With newer systems For example, process pressures well below 1 Pa can be achieved, which have a rather positive effect on the process can. In addition to the high selectivity, the op  timing of other properties of the etching process wishes, this is easily done by admixture a non-halogen containing carbon, nitrogen, oxygen or hydrogen-containing compound for etching gas mixture possible. In addition, the etching gas composition tongue a carrier gas, e.g. B. an inert noble gas (He, Ne, Ar, Kr, Xe), or nitrogen, oxygen or Hydrogen can be added.

Claims (9)

1. Verfahren zum plasmachemischen Trockenätzen von Silizi­ umnitridschichten hochselektiv zu Siliziumoxidschichten, dadurch gekennzeichnet, daß als Ätzgase Verbindungen eingesetzt werden, bei denen jeweils mindestens ein Fluoratom und mindestens ein Atom aus der Gruppe Chlor, Brom und Jod in der Molekülstruktur an ein Kohlenstoffgerüst chemisch gebunden sind.1. A process for the plasma chemical dry etching of silicon nitride layers highly selectively to silicon oxide layers, characterized in that compounds are used as etching gases in which at least one fluorine atom and at least one atom from the group chlorine, bromine and iodine in the molecular structure are chemically bound to a carbon skeleton . 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Ätzgase Fluor­ chlorkohlenstoffe der allgemeinen Struktur CxFyClz (x, y, z 1) verwendet werden.2. The method according to claim 1, in which fluorine chlorocarbons of the general structure C x F y Cl z (x, y, z 1) are used as etching gases. 3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Ätzgase Fluor­ bromkohlenstoffe der allgemeinen Struktur CxFyBrz verwen­ det werden (x, y, z 1).3. The method according to claim 1, in which fluorine bromocarbons of the general structure C x F y Br z are used as etching gases (x, y, z 1). 4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Ätzgase Fluorjod­ kohlenstoffe der allgemeinen Struktur CxFyIz verwendet werden (x, y, z 1).4. The method according to claim 1, in which fluorine iodine carbons of general structure C x F y I z are used as etching gases (x, y, z 1). 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in die Molekülstruktur zusätzlich Wasserstoffatome und/oder Sauerstoff- und/oder Stickstoffatome eingebaut sind CxHaObNcFyClzBriIv (x, y 1; nicht a = b = c = o und nicht z = u = v = o).5. The method according to any one of claims 1 to 4, in which in the molecular structure additionally hydrogen atoms and / or oxygen and / or nitrogen atoms are built in C x H a O b N c F y Cl z Br i I v (x, y 1 ; not a = b = c = o and not z = u = v = o). 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Ätzgasmischung zusätzliche, nicht halogenhaltige Verbin­ dungen und/oder Trägergase beigemischt werden.6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the Etching gas mixture additional, non-halogen-containing compound dung and / or carrier gases are added. 7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem als Trägergas ein inertes Edelgas (He, Ne, Ar, Kr, Xe) verwendet wird. 7. The method according to claim 6, in which as a carrier gas inert noble gas (He, Ne, Ar, Kr, Xe) is used.   8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem als Trägergas Stick­ stoff, Sauerstoff oder Wasserstoff verwendet wird.8. The method according to claim 6, in which as the carrier gas stick substance, oxygen or hydrogen is used. 9. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem eine nicht halogen­ haltige, aus den Elementen Stickstoff, Sauerstoff und Was­ serstoff zusammengesetzte Verbindung, insbesondere N2O, NO2, NH3 oder H2O, verwendet wird.9. The method according to claim 6, in which a non-halogen-containing compound composed of the elements nitrogen, oxygen and water, in particular N 2 O, NO 2 , NH 3 or H 2 O, is used.
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