PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005057407A1 31.05.2007
Titel Verfahren zur Behandlung von Material, insbesondere bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Wege, Stephan, 01328 Dresden, DE;
Schlor, Joachim, 01309 Dresden, DE
Vertreter Maikowski & Ninnemann, Pat.-Anw., 10707 Berlin
DE-Anmeldedatum 30.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005057407
Offenlegungstag 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse H01L 21/265(2006.01)A, F, I, 20060713, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 21/306(2006.01)A, L, I, 20060713, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Material, insbesondere bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, dadurch gekennzeichnet, dass
a) mindestens ein Teilbereich (1) des Materials (10) gezielt mit Ionen (2) implantiert wird und
b) anschließend oder in einem späteren Verfahrensschritt ein Ätzschritt des Materials (10) ausgeführt wird, wobei die Ätzrate dieses Verfahrensschritts durch die implantierten Ionen (2) gezielt verändert wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für die Herstellung von Halbleiterbauelementen wird für viele Prozessschritte ein Ätzschritt (z.B. Trockenätzschritt, Nassätzschritt) verwendet. Dabei erfolgt die Ätzung eines Materials auf Grund von Atomen bzw. Molekülen aus einem Gas und/oder durch Beschuss der zu ätzenden Materialoberfläche mit Ionen (wie z.B. beim RIE Reactive Ion Etching).

Die Ätzrate der Trockenätzprozessschritte ist dabei in der Regel eine Funktion des Materials und der gewählten Prozessparameter (z.B. Ionenspezies, Druck, Leistung, Form und Stärke des Feldes etc.). Die Profilbildung wird dabei im Wesentlichen über die Prozessparameter oder die Maske bestimmt.

Da die zu ätzenden Strukturen im Material immer kleiner und tiefer werden (d.h. die aspect ratio wird immer größer), kann das Ätzmedium nicht überall effektiv ätzen; d.h. die Ätzrate wird limitiert. Das Beeinflussen der Ätzrate durch die Prozessparameter bzw. der Anlagen stößt an Grenzen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem die Ätzrate besser beeinflusst werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Zunächst wird mindestens ein Teilbereich eines Materials gezielt mit Ionen implantiert und anschließend oder in einem späteren Verfahrensschritt ein Ätzschritt ausgeführt, wobei die Ätzrate dieses Verfahrensschritts durch die implantierten Ionen gezielt verändert wird. Durch die Ionenimplantation lassen sich Eigenschaften des Materials gezielt beeinflussen, so dass die nachfolgende Ätzung effizienter ausgeführt werden kann. Die Ätzung kann dabei vorteilhafterweise als Trockenätzung oder Nassätzung ausgebildet sein.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn durch die Implantation der Ionen in mindestens einem Teilbereich des Materials ein Depot der Atome oder Moleküle angelegt wird, so dass dieselben als Reaktand oder Inhibitor für den nachfolgenden Trockenätzschritt zur Verfügung steht. Das Depot dient dabei z.B. als Speicher für Reaktanden oder Inhibitoren an Stellen, die ansonsten für reaktive Ätzmedien schwer zugänglich sind.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn durch die Implantation der Ionen in dem mindestens einen Teilbereich des Materials die kristalline Struktur des Materials zur Beeinflussung der Ätzrate gezielt geändert wird.

Ein vorteilhaftes Vorgehen zur Implantation ist, wenn die räumliche Anordnung der implantierten Ionen, insbesondere in Form eines Depots im Material durch den Implantationswinkel gezielt gesteuert wird. Über die Wahl des Implantationswinkels können auch schwer zugängliche Bereiche, z.B. Wandungen eines Trenches, für die Ionenimplantation erreicht werden.

Wenn die zu implantierende Geometrie komplex ist, z.B. eine Vertiefung aufweist, ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Material und der Implantationsquelle eine rotatorische Relativbewegung erzeugt wird, so dass insbesondere auch in vertikalen Bereichen (z.B. Wandungen) des Materials eine Implantation ausgeführt werden kann.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die Implantationstiefe der Ionen im Material und/oder die Form des implantierten Teilbereichs durch die Einstellung der Implantationsenergie gezielt gesteuert wird. Ein möglicher Wert für die Implantationsenergie ist z.B. 2 keV. Es können aber auch höhere Werte (z.B. 30 keV) verwendet werden.

Dabei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die Ausdehnung und/oder Form des implantierten Teilbereiches im Material durch eine Zeitsteuerung der Ionenimplantation, einer Steuerung der Ionenstromdichte und/oder einer Steuerung der Ionenenergie gesteuert wird. Wenn ein gewünschtes Implantationsprofil im Material bekannt ist, so kann vorteilhafterweise die Zeitsteuerung der Ionenimplantation, die Steuerung der Ionenstromdichte und/oder die Steuerung der Ionenenergie in Abhängigkeit von diesem vorab gewählten Konzentrationsprofils im Teilbereich erfolgen. Das Diffusionsverhalten einer Ionenspezies in einem Material ist bekannt, so dass über eine Temperatur- und/oder Zeitsteuerung, z.B. festgelegt werden kann, wie viel Ionen implantiert werden und welche Bereiche dabei eine bestimmte Konzentration erreichen.

Da Diffusionsprozesse temperaturabhängig sind, ist es vorteilhaft, wenn die Implantation der Ionen durch eine gezielte Temperierung des Materials gesteuert wird.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die Implantation durch eine geeignete Maske, insbesondere Resistmaske gezielt gesteuert wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden Ionen mindestens teilweise am Grund einer Vertiefung, insbesondere eines Deep Trench implantiert.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die Ionen mindestens teilweise in einer Wandung einer Vertiefung im Material, insbesondere eines Deep Trench implantiert werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Implantation in der Wandung durch eine Implantation unter einem Implantationswinkel &agr; größer gleich 0° gemessen zur Vertikalen zum Material erfolgt. Auch ist es vorteilhaft, wenn die Implantation in der Wandung durch eine Rotation des Materials und/oder Rotation der Ionenquelle an mehreren Stellen der Vertiefung erfolgt.

Mit Vorteil werden als implantierte Ionen Stickstoffionen, Sauerstoffionen und/oder Halogenionen, insbesondere Fluorionen oder Chlorionen, verwendet. Dabei ist eine Implantation mit Sauerstoff- und/oder Stickstoffionen für die Erzeugung einer Ätzstoppschicht besonders geeignet. Die Implantation mit Fluor- und/oder Chlorionen ist für eine Depotbildung geeignet.

Ein vorteilhafter Verwendungszweck des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, wenn das Material Silizium eines Substrates für die Herstellung von DRAM-Chips oder Logikchips ist.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1A, B als erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Implantierung einer Ätzstoppschicht;

2A, B, C als zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Reaktandenimplantation;

3A, B, C als drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Reaktanden-/Inhibitorenimplantation;

4A, B als viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Reaktandenimplantation mit Konzentrationsprofil.

In 1A ist als erster Prozessschritt die Implantierung eines Materials 10 mit Ionen 2 dargestellt. Die Ionenimplantation wird hier mit Stickstoff durchgeführt, der das Material 10, hier Silizium, durchdringt und sich in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Ionen 2 in einem Teilbereich 1 des Materials einlagert. Je nach der kinetischen Energie der Ionen 2, bestimmt sich die Tiefe der Einlagerung. Der Implantationswinkel &agr; ist hier 0°, da die Implantation senkrecht zum Material 10 erfolgt.

Im vorliegenden Beispiel ist über dem Material 10 keine Maske angeordnet, so dass die Ionen 2 über die gesamte Oberfläche implantiert werden. Die kinetische Energie der Ionen 2 bestimmt die Tiefe (d.h. die Reichweite der Ionen im Material), in der sich eine Schicht ausbildet.

In nachfolgenden Verfahrensschritten, die hier nicht im Einzelnen dargestellt sind, wird u.a. eine weitere Schicht 11 auf das Material aufgebracht (siehe 1B), die dann mit einem Trockenätzschritt (hier mittels RIE) strukturiert wird. Dabei werden Vertiefungen 12 geätzt. Grundsätzlich kann die Ätzung aber auch mit einem nasschemischen Ätzschritt erfolgen.

Die Ätzung der Vertiefungen 12 wird an dem Teilbereich 1 mit den implantierten Ionen 2 gestoppt, da die vorherige Implantation das Material 10 hier so geändert hat, dass die Ätzung selektiv gegenüber diesem Teilbereich 1 ist.

Bei dieser Ausführungsform wird gezielt eine Ätzstoppschicht erzeugt, ohne dass dafür eine besondere Schicht auf einem Substrat abgeschieden werden muss.

In 2A, B, C wird eine zweite Ausführungsform dargestellt, bei der die gezielte Veränderung des Materials 10 mittels Ionenimplantation eine andere Wirkung hat.

In 2A ist als Ausgangssituation ein Material 10 (hier wieder Silizium) mit zwei Vertiefungen 5 dargestellt. Die Vertiefungen 5 waren in einem vorhergehenden ersten Ätzschritt mittels der Maskenschicht 13 hergestellt worden. Die Aspect Ratio der Vertiefung ist hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht maßstabsgerecht eingezeichnet. Üblicherweise ist die Aspect Ratio größer 10. Der erste Ätzschritt wird solange ausgeführt, bis die Ätzrate einen sinnvollen Fortschritt in der Tiefe der Vertiefung erlaubt. Zur Verbesserung des Ätzfortschritts wird dann Gebrauch von der zweiten Ausführungsform der Erfindung gemacht.

In 2B wird eine Implantation mittels Ionen 2 unter einem Implantationswinkel &agr; = 0° ausgeführt. Hier werden Halogenionen, insbesondere Fluor- oder Chlorionen verwendet.

Die Ionen 2 lagern sich in der Maskenschicht 13 nicht ein, wohl aber am Grund 7 der Vertiefung 5. Es bildet sich ein Depot 3 von Atomen oder Molekülen in diesem Teilbereich des Materials 10 aus.

Anstelle einer durchgehenden Schicht wie im ersten Ausführungsbeispiel, wird hier eine lokale Anreicherung der Ionen 2 am Grund 7 der Vertiefung 5 erreicht.

Nach der erfolgten Anreicherung wird die Ätzung mit einem zweiten Trockenätzschritt fortgesetzt. Die Atome oder Moleküle im Depot 3 werden dabei freigelegt und stehen als Reaktanden im Grund der Vertiefung bei der Ätzung zur Verfügung, in 2C durch die Anreicherung 8 in der Vertiefung 5 dargestellt. Mit diesen zusätzlich zu Verfügung gestellten Reaktanden ist eine gleichmäßigere Ätzung möglich.

Der erste und der zweite Trockensätzschritt können, müssen aber nicht mit dem gleichen Verfahren ausgeführt werden.

In 3A, B, C wird eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Ähnlich wie in der Ausgangsituation gemäß 2A wird auch hier mittels einer Maskenschicht 13 eine Vertiefung 5 in einem Material 10 erzeugt. Allerdings wird hier der erste Ätzschritt in Form einer Nassätzung ausgeführt. Dabei hat sich eine Unterätzung der Maskenschicht 13 gebildet.

Die unterätzte Vertiefung 5 soll erweitert werden, so dass die Wandungen 6 der Vertiefungen 5 behandelt werden müssen. Dazu wird unter einem Implantationswinkel &agr; = 30° eine Ionenimplantation durchgeführt. Mit einer schrägen Implantation wäre aber nur eine Wandung 6 der Vertiefung 5 der Implantation ausgesetzt. Für eine gleichmäßige Implantation wird das Substrat gedreht und/oder verschwenkt, was durch die Pfeile angedeutet ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Implantationsquelle in Rotation versetzt werden.

Damit überstreicht die Implantationstrahlung die Wandungen 6 der Vertiefungen 5. Der Implantationswinkel &agr; ist so gewählt, dass auch im Grund 7 der Vertiefung eine hinreichende Implantation erfolgt.

Am Ende der Implantation hat sich an den Wandungen 6 und am Grund 7 der Vertiefung 5 ein Teilbereich 3 im Material 10 herausgebildet, in dem die implantierten Ionen 2 das Material 10 gezielt verändert haben, so dass eine nachfolgende Trockenätzung (siehe 3C) hier gezielt eine Aufweitung der Vertiefung 5 vornehmen kann.

Grundsätzlich kann die Ätzung auch schräg und mit einem rotierenden Tisch für das Material ausgeführt werden.

In 4A und B wird dargestellt, das die Form des implantierten Teilbereichs 3 sich gezielt durch eine Einstellung der Ionenstromdichte (Implantierstärke ID) steuern lässt.

Üblicherweise unterliegt die Ausbreitung der Ionen im Material 10 dem Fickschen Gesetz, d.h. das sich ausbildenden Konzentrationsprofil bei konstanter Implantationsenergie ist im eindimensionalen und idealisierten Fall (wie in 4B in x-Richtung dargestellt) eine Error-Funktion. In einkristallinen Materialien, z.B. Silizium, gibt es aber Vorzugsrichtungen für die Diffusion (Channeling). Die Implantation kann dadurch verbessert werden, indem eine Streuschicht, z.B. aus Oxid auf der Oberfläche des Materials 10 aufgebracht wird.

Da diese Ausbreitung bekannt ist, kann im Umkehrschluss die Implantationsenergie so gesteuert werden, dass sich z.B. ein konstantes Konzentrationsprofil (siehe blockförmigen Teilbereich in 4B) im Material 10 ausbildet. Dazu wird die Implantierungsenergie zu Beginn hoch sein, dann aber langsam abfallen. Grundsätzlich sind durch Steuerung der Implantierungsenergie auch andere Profile denkbar.

Die Dotandenkonzentration CD (d.h. die Konzentration der implantierten Ionen) kann proportional zu der Änderung der gewünschten Ätzreaktandenkonzentration Cr gewählt werden, um beim nachfolgenden Trockenätzschritt eine gewünschte Wirkung zu entfalten.

Diese Betrachtung setzt voraus, dass die Temperatur während der Implantierung (auch während der Diffusion) konstant ist. Da die Diffusion auch temperaturabhängig ist, kann eine Temperaturführung, alternativ oder neben der zeitabhängigen Steuerung der kinetischen Energie der Implantierung, eingesetzt werden. Eine höhere Temperatur würde die Diffusion eher begünstigen, eine Abkühlung eher verhindern.

Die Zusammenhänge, die hier im Zusammenhang mit 4A und 4B beschrieben wurden, sind natürlich auch bei den anderen Ausführungsformen allein oder in Kombination anwendbar.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Verfahren auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.

1
Teilbereich eines Materials, z.B. in einem Substrat
2
Ionen für Implantierung
3
Depot der Ionen
5
Vertiefung (Deep Trench)
6
Wandung
7
Grund der Vertiefung
8
Anreicherung der Ionen in der Vertiefung
10
Material
11
weitere abgeschiedene Schicht
12
Vertiefung
13
Maskenschicht
&agr;
Implantationswinkel


Anspruch[de]
Verfahren zur Behandlung von Material, insbesondere bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen,

dadurch gekennzeichnet dass

a) mindestens ein Teilbereich (1) des Materials (10) gezielt mit Ionen (2) implantiert wird und

b) anschließend oder in einem späteren Verfahrensschritt ein Ätzschritt des Materials (10) ausgeführt wird, wobei die Ätzrate dieses Verfahrensschritts durch die implantierten Ionen (2) gezielt verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzschritt als Trockenätzschritt oder Nassätzschritt ausgebildet ist. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Implantation der Ionen (2) in mindestens einem Teilbereich (1) des Materials (10) ein Depot (3) der Atome oder Moleküle (2) angelegt wird, so dass die Ionen (2) als Reaktand oder Inhibitor für den nachfolgenden Ätzschritt zur Verfügung stehen. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Implantation der Ionen (2) in dem mindestens einen Teilbereich (1) des Materials (10) die kristalline Struktur des Materials (10) zur Beeinflussung der Ätzrate gezielt geändert wird. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Anordnung der implantierten Ionen (2), insbesondere in Form eines Depots (3) im Material (10) durch den Implantationswinkel (&agr;) gezielt gesteuert wird. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Material (10) und der Implantationsquelle eine rotatorische Relativbewegung erzeugt wird, so dass insbesondere auch in vertikalen Bereichen des Materials (10) eine Implantation ausgeführt werden kann. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Implantationstiefe der Ionen (2) im Material (10) und/oder die Form des implantierten Teilbereichs (1) durch die Einstellung der Implantationsenergie gezielt gesteuert wird. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung und/oder Form des implantierten Teilbereiches (3) im Material (10) durch eine Zeitsteuerung der Ionenimplantation, einer Steuerung der Ionenstromdichte und/oder einer Steuerung der Ionenenergie gesteuert wird. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitsteuerung, die Steuerung der Ionenstromdichte und/oder die Steuerung der Ionenenergie in Abhängigkeit eines vorab gewählten Konzentrationsprofils der implantierten Ionen (2) im Teilbereich (1) erfolgt. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Implantation der Ionen (2) durch eine gezielte Temperierung des Materials (10) gesteuert wird. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Implantation durch eine geeignete Maske, insbesondere Resistmaske oder eine Oxid-Hartmaske gezielt gesteuert wird. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Implantation mit Sauerstoff, Stickstoff und/oder Kohlenstoff mindestens eine Ätzstoppschicht im Material hergestellt wird. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen (2) mindestens teilweise am Grund einer Vertiefung (5), insbesondere eines Deep Trench implantiert werden. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen (2) mindestens teilweise in einer Wandung (6) einer Vertiefung (5) im Material (10), insbesondere eines Deep Trench implantiert werden. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Implantation in der Wandung (6) durch eine Implantation unter einem Implantationswinkel &agr; größer gleich 0° gemessen zur Vertikalen zum Material erfolgt. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Implantation in der Wandung (6) durch eine Rotation des Materials (10) und/oder Rotation der Ionenquelle an mehreren Stellen der Vertiefung (5) erfolgt. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die implantierten Ionen (2) Stickstoffionen, Sauerstoffionen und/oder Halogenionen, insbesondere Fluorionen oder Chlorionen, sind. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trockenätzschritt insbesondere von Siliziun mit HBr, Cl2, HCl, SF6 und/oder NF3 als Ätzmittel ausgeführt wird. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trockenätzverfahren mittels Parallelplattenreaktor (RIE), induktiver Kopplung (ICP), resonanter Anregung (ECR, Helicon), oder Mikrowellen ausgeführt wird. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material Silizium eines Substrates für die Herstellung von DRAM-Chips oder Logikchips ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com