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Dokumentenidentifikation DE69228044T2 19.08.1999
EP-Veröffentlichungsnummer 0540230
Titel Verfahren zur Strukturierung von Wolframschichten
Anmelder AT & T Corp., New York, N.Y., US
Erfinder Fullowan, Thomas Robert, Warren, New Jersey 07059, US;
Pearton, Stephen John, Summit, New Jersey 07901, US;
Ren, Fan, Warren, New Jersey 07059, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69228044
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 21.10.1992
EP-Aktenzeichen 923096077
EP-Offenlegungsdatum 05.05.1993
EP date of grant 30.12.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.08.1999
IPC-Hauptklasse H01L 21/321

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer strukturierten Wolframschicht und insbesondere ein Verfahren zur Ausbildung von präzise strukturierten Wolframkontakten auf einem III-V-Halbleiter bei minimaler Schädigung des Halbleiters.

Allgemeiner Stand der Technik

Wegen ihrer Funktionssicherheit und Unempfindlichkeit gegenüber Hochtemperaturverarbeitung sind ohmsche Kontakte sowie Schottky-Kontakte in III-V- Mikroelektronikvorrichtungen sehr erwünscht. Die Ausbildung von Wolframstrukturen mit der in modernen Mikroelektronikvorrichtungen erforderlichen Genauigkeit ist jedoch schwierig.

Mittels HF-Zerstäubung läßt sich Wolfram leicht in dünnen Schichten bei niedrigen Temperaturen abscheiden. Bei Versuchen zur Strukturierung des abgeschiedenen Films ergibt sich jedoch das Problem, daß Wolfram isotrop geätzt wird. Während nur das nicht von einer Photolackmaske geschützte Wolfram geätzt werden soll, wird das Wolfram auch seitlich geätzt, wobei ein Unterätzen der Maske erfolgt. Dadurch lassen sich Vertikalprofile und kritische Abmessungen von Einzelheiten wie Submikrometer-FET-Gatter mit herkömmlicher Photolithographie nicht erfolgreich auf das darunterliegende Wolfram übertragen.

Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, die Genauigkeit der Strukturübertragung auf Wolfram zu verbessern, von denen jedoch keiner eine klare Lösung des Problems der Ausbildung von Wolframkontakten auf III-V-Halbleitern vermittelt. Beispielsweise berichten Shattenburg et al. über den Einsatz von CBrF&sub3; oder CHF&sub3; zum Ätzen von Wolfram bei gleichzeitiger Abscheidung von Polymer auf den Flanken, um ein waagerechtes Ätzen zu erschweren (J. Vac. Sci. Technol. B3, 272 (1985). Die so übertragenen Einzelheiten weisen eine aufgeblähte Basis auf. Von anderen wird berichtet, daß der Einsatz von SF&sub6;- oder CF&sub4;-Plasmaentladungen Fluorradikale erzeugt, welche eine Unterätzung von Masken sowie Verluste bei den Abmessungen von Einzelheiten bewirken. Siehe beispielsweise Suzuki et al., J. Electrochem. Soc. 129, 2764 (1982). Gasgemische aus SF&sub6;-CBrF&sub3; oder SF&sub6;-CHF&sub3; führen zwar zu geringerer Unterätzung, ergeben aber dennoch isotrope Profile. (Siehe Tennant et al., (J. Vac. Sci. Technol. B7, 1836 (1989). Vor kurzem ist zwar über Senkrechtätzen von Wolfram in SF&sub6; bei niedrigen Temperaturen berichtet worden, jedoch erfordert das Verfahren noch nicht dagewesene Ätzeinrichtungen und eignet sich nicht sonderlich für die kommerzielle Herstellung. Siehe S. Tachi et al., (J. Vac. Sci. Technol. A9, 796 (1991). Aus der Patentanmeldung EP-A-178 619 ist das reaktive Ionenätzen von Wolframschichten unter Verwendung eines Gasgemischs aus CF&sub4; und O&sub2; mit Hilfe einer durch Abheben abgeschiedenen Titanmaske bekannt.

Erfindungsgemäß wird ein wie in Anspruch 1 beschriebenes Verfahren zur Verfügung gestellt.

Durch die Anmelder wurde gefunden, daß die Ausbildung von präzisen Strukturen mit weitgehend senkrechten Wänden aus einer vorwiegend Wolfram enthaltenden Schicht durch die Verwendung von Titan als Maske sowie durch Plasmaätzen in einem fluorhaltigen Plasma aus CF&sub4; oder SF&sub6; plus Argon möglich ist. Daß der Prozeß erfolgreich ist, dürfte auf das Auftreten einer Ätzstoppreaktion auf den Flanken des Wolframs zurückzuführen sein. Die Reaktionsprodukte hemmen ein waagerechtes Ätzen. Nach dem Ätzen des Wolframs kann die Titanmaske selektiv entfernt werden, etwa durch Ätzen in verdünntem HF. Bei keinem der Prozeßschritte ist es erforderlich, das Werkstück Spannungen über 200 Volt oder Temperaturen außerhalb des Bereichs zwischen Zimmertemperatur und 200ºC auszusetzen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen:

stellt Abb. 1 ein Flußdiagramm des bevorzugten Verfahrens zur Strukturierung einer Wolframschicht dar;

zeigt Abb. 2 schematische Querschnitte des Werkstücks bei verschiedenen Prozeßschritten der Abb. 1;

ist Abb. 3 eine graphische Darstellung der Ätztiefe gegen die Zeit; und

ist Abb. 4 eine graphische Darstellung der Ätzrate gegen die Plasmageneratorleistung.

Es sei darauf hingewiesen, daß diese Zeichnungen der Erläuterung der erfinderischen Gedanken dienen und bis auf die graphischen Darstellungen nicht maßstabsgetreu sind.

Ausführliche Beschreibung

Bei den Zeichnungen stellt Abb. 1 ein den Prozeß zur Strukturierung einer Wolframschicht veranschaulichendes Flußdiagramm dar. Wie Abb. 1A zeigt, wird im ersten Schritt eine Wolframschicht auf ein Substrat abgeschieden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Substrat um ein III-V-Halbleitersubstrat wie Galliumarsenid. Als vorbereitender Schritt erfolgt die gründliche Reinigung des Substrats, etwa Belagsentfernung mittels O&sub2;-Plasma und nachfolgendem Eintauchen in verdünntes HCl zur Entfernung von Oberflächenoxiden. Dann wird die Wolframschicht abgeschieden, vorzugsweise durch Niedertemperatur-HF- Zerstäubung. Das Substrat und ein Wolframtarget werden in einer Niederdruck-Inertgasumgebung wie Argon bei 0,133 bis 4 Pa (1-30 millitorr (mt)) angeordnet. Ein HF-Plasma wird gezündet, und eine an das Target angelegte Gleichspannungsvorspannung von 300 V führt zu einer Zerstäubung von Wolfram aus dem Target auf das Substrat. Dabei liegt die Temperatur vorzugsweise unter etwa 150ºC. Bei der Herstellung von Mikroelektronikkontakten hat die Wolframschicht eine Stärke unter einem Mikrometer und liegt typischerweise um 4 · zu (4000 Ångström). Das Substrat 10 mit einer abgeschiedenen Wolframschicht 11 ist schematisch in Abb. 2A dargestellt.

Als nächster, in Abb. 1B dargestellter Schritt erfolgt die Maskierung der Wolframschicht mit einer Titanmaske. Durchgeführt wird der Maskierschritt günstigerweise durch Aufbringen einer Schicht aus Titan mit einer Stärke von unter einem Mikrometer und den Einsatz eines herkömmlichen Lift-Off-Prozesses zur Ausbildung der Maskenstruktur. Die Wolframschicht wird mit EBR-9-Lack beschichtet, und die Bildung der gewünschten Struktur für die Maske erfolgt durch direktschreibende Elektronenstrahllithographie. Dann wird eine Schicht aus Titan, vorzugsweise etwa 400 nm stark, auf das Werkstück in einem Airco-1800- Elektronenstrahlverdampfer abgeschieden. Das mit nichtmaskiertem Wolfram in Berührung kommende Titan haftet stark. Das nicht in Berührung mit dem Wolfram stehende Titan wird mit Hilfe eines Acetonlösungsmittelsprühnebels abgehoben. Daraus ergibt sich, wie in Abb. 2B dargestellt, eine die Wolframschicht 11 überlagernde Resttitanmaske 12.

Wie in Abb. 1C dargestellt, erfolgt als dritter Schritt das Ätzen des Maskenwerkstücks zwecks selektiver Entfernung des nichtmaskierten Wolframs. Bei diesem Ätzen handelt es sich um reaktives Ionenätzen in einem SF&sub6;/Ar oder CF&sub4;/Ar Plasma. Das Ätzen kann günstigerweise in einem Parallelplatten-Plasmaätzer wie einem Plasma Therm SL 772, auf Zimmertemperatur wassergekühlt, durchgeführt werden. Vorteilhafterweise erfolgt das Ätzen in SF&sub6;/Ar-Gas mit einem Druck von 0,133 Pa (1 mt), einer Gleichspannungsvorspannung auf der Probe von -100 V, und einer Plasmafrequenz von 13,56 MHz. Dabei erfolgte ein Überätzen um 25%, um eine Uneinheitlichkeit des Wolframfilms auffangen zu können und etwaige Beladungseffekte auszugleichen.

Dieser Ätzschritt führt zu einer Entfernung des Wolframs in jenen Bereichen, wo es durch die Titanmaske nicht geschützt wird. Der daraus hervorgehende Aufbau ist in Abb. 2C dargestellt. Überraschend ist, daß das Wolfram anisotrop geätzt wird und senkrechte Seitenwände und praktisch kein Unterätzen der Titanmaske zeigt. Diese sehr erwünschte Eigenschaft dürfte auf die Abscheidung einer nichtflüchtigen Spezies wie TiF&sub4; auf den Flanken zurückzuführen sein. Das TiF&sub4; hemmt ein Ätzen an den senkrechten Seitenwänden. Der Ätzvorgang verläuft anisotrop, solange Titan auf dem Wolfram verbleibt.

Abb. 3 zeigt die Ätztiefe gegen die Zeit, sowohl für Wolfram W als auch Titan Ti, bei Plasmaleistungspegeln von 75 W und 150 W. Aufgenommen wurden die Daten mit einem Technics Micro Reactive Ion Etch Series 800 Plasma System unter Verwendung einer 30-KHz-Plasmaerregung mit CF&sub4;-Plasma.

Abb. 4 zeigt die Ätzrate in Ångström pro Minute gegen die Plasmaleistung. Die Ätzraten sowohl von Wolfram als auch Titan steigen in Abhängigkeit sowohl von der Leistung als auch dem Druck. Bei niedrigeren Leistungen steigen die Ätzraten sowohl des Wolframs als auch des Titans eher allmählich an und nähern sich dann stärker der Linearität an. Das spricht für die Existenz von nativen Oxiden auf den Oberflächen, die durch Ionenbeschuß entfernt werden müssen, bevor ein chemisches Ätzen eingeleitet werden kann.

Über den untersuchten Druckbereich steigen die Ätzraten sowohl des Wolframs als auch des Titans im allgemeinen mit zunehmendem Druck. Die Selektivitäten liegen im Bereich 8 : 1 bis 1,5 : 1 in Abhängigkeit vom Leistungspegel bei dem jeweiligen Druck. REM- Untersuchungen ergaben, daß der anisotrope Charakter der Wolframätzung nicht vom Druck abhängt, solange die Titanmaske vorhanden ist. Ohne Verluste bei den Abmessungen der Einzelheiten wurden Vertikalprofile über einen weiten Druckbereich von 0,133 bis 18,62 Pa (1 mt bis 140 mt) reproduziert. Daß die Wolframätzung bei einer geringen negativen Gleichspannungsvorspannung mit einem Wert von unter 200 V möglich ist, bedeutet, daß keine signifikante Beschädigung des freiliegenden Halbleiters auftritt.

Als in Abb. 1D dargestellter letzter Schritt erfolgt die selektive Entfernung der Titanmaske. Dieser Schritt ist fakultativ, je nach der vorgesehenen Anwendung. Die Entfernung von Titan ist ohne weiteres ohne Beeinträchtigung des freiliegenden Halbleiters oder Wolframs durch Eintauchen des Werkstücks in eine verdünnte HF-Lösung möglich. Der daraus hervorgehende Aufbau nach Entfernung der Maskenschicht 12 ist in Abb. 2D dargestellt.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Ausbildung einer auf einem Halbleitersubstrat abgeschiedenen, strukturierten Wolframschicht mit den folgenden Schritten:

Abscheidung der Wolframschicht auf dem Halbleitersubstrat;

Ausbildung einer Titanmaske auf der Wolframschicht,

Entfernung des nichtmaskierten Wolframs durch reaktives Ionenätzen in einem fluorhaltigen Plasma,

DADURCH GEKENNNZEICHNET, DASS

das fluorhaltige Plasma in einem Gemisch aus Argon und einem aus SF6 und CF4 gewählten Gas bei einem Druck im Bereich von 0,13 Pa (1 mtorr) bis 18,6 Pa (140 mtorr) gebildet wird,

eine negative Vorspannung einer Größe von weniger als 200 Volt während des Ätzens zwischen dem Substrat und dem Plasma angelegt wird, um Ionenzerstäubung des Wolframs herbeizuführen,

das Verfahren durchgeführt wird, ohne daß der Halbleiter Temperaturen über 200ºC ausgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Wolfram durch HF-Zerstäubung abgeschieden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Maskierung der Wolframschicht mit Titan durch einen Lift-off-Prozeß erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Entfernung des nichtmaskierten Wolframs durch reaktives Ionenätzen in Argon und SF&sub6; erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Entfernung des nichtmaskierten Wolframs durch reaktives Ionenätzen in Argon und CF&sub4; erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 mit dem weiteren Schritt der selektiven Entfernung der Titanmaske nach dem Ätzen des nichtmaskierten Wolframs.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine selektive Entfernung der Titanmaske durch Ätzen in einer HF-Lösung erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Substrat aus Galliumarsenid besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Titan in einer Schicht mit einer Stärke von weniger als einem Mikrometer abgeschieden wird.







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