Selektives Ätzen von Siliziumnitrid über Siliziumoxid mit ClF3/H2-Fernplasma

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 5703 (2022) Diesen Artikel zitieren

8386 Zugriffe

1 Zitate

1 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Die präzise und selektive Entfernung von Siliziumnitrid (SiNx) über Siliziumoxid (SiOy) in einem Oxid/Nitrid-Stapel ist für einen aktuellen dreidimensionalen Flash-Speicher-Herstellungsprozess vom NOT-AND-Typ von entscheidender Bedeutung. In dieser Studie wurde das schnelle und selektive isotrope Ätzen von SiNx über SiOy mithilfe eines ClF3/H2-Fernplasmas in einem induktiv gekoppelten Plasmasystem untersucht. Die SiNx-Ätzrate über 80 nm/min mit einer Ätzselektivität (SiNx gegenüber SiOy) von ~ 130 wurde unter einem ClF3-Fernplasma bei Raumtemperatur beobachtet. Darüber hinaus führte die Zugabe von H2 zum ClF3 zu einer Erhöhung der Ätzselektivität über 200, während gleichzeitig die Ätzrate von Oxid und Nitrid aufgrund der Reduzierung von F-Radikalen im Plasma verringert wurde. Die zeitabhängigen Ätzeigenschaften von ClF3-, ClF3- und H2-Fernplasma zeigten beim Ätzen von Siliziumnitrid auf einem Oxid/Nitrid-Stapelwafer eine geringe Beladungswirkung mit einer ähnlichen Ätzrate wie bei einem leeren Nitridwafer.

Da die Größe von Halbleiterbauelementen auf den Sub-Nanobereich abnimmt und sich die Bauelementintegration von einer zweidimensionalen auf eine dreidimensionale Struktur ändert, ist eine präzisere und selektivere Ätztechnologie für die Herstellung von Halbleiterbauelementen erforderlich1. In den verschiedenen Halbleiterbauelementen wird Siliziumnitrid aufgrund seiner hohen Isoliereigenschaften, seiner hohen thermischen und mechanischen Stabilität usw. und seiner selektiven Ätzung häufig als Barriereschicht für die Dotierstoffdiffusion, als Gate-Seitenwand-Abstandsschicht, als Pufferschicht usw. verwendet Siliziumnitrid gegenüber Silizium und/oder Siliziumoxid ist für verschiedene mikroelektronische Anwendungen wichtig2.

Heutzutage nimmt bei der dreidimensionalen NICHT-UND-Flash-Speicherherstellung die Anzahl der Siliziumnitrid/Siliziumoxid (SiNx/SiOy)-Stapel zu und die Dicke der sich wiederholenden SiNx/SiOy-Schichten nimmt kontinuierlich ab, um eine höhere Speicherdichte in der Vertikalen zu erreichen Richtung. Daher wird das gleichmäßige und äußerst selektive Ätzen von SiNx-Schichten zu SiOy-Schichten im SiNx/SiOy-Stapel zu einem immer anspruchsvolleren Prozess. Bisher wird das selektive Ätzen von SiNx in SiNx/SiOy-Stapeln durch Nassätzen mit heißer Phosphorsäure (H3PO4)3,4,5,6 erreicht. Beim Nassätzen wird jedoch das Eindringen einer Ätzlösung in Löcher immer schwieriger, da die Dicke der SiNx/SiOy-Schicht abnimmt und die verbleibenden SiOy-Schichten aufgrund der Oberflächenspannung kollabieren können. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass mehrere Additive zur Erhöhung der Ätzselektivität von SiNx/SiOy nach dem Ätzen zu Problemen beim erneuten Oxidwachstum führen, es sei denn, die Prozessbedingungen werden nicht sorgfältig kontrolliert5. Um diese Probleme zu lösen, muss ein Trockenprozess zum isotropen und selektiven Ätzen von SiNx als alternative Technologie für die dreidimensionale NICHT-UND-Flash-Speicherherstellung entwickelt werden.

Es wurden verschiedene Studien zum selektiven Ätzen von SiNx gegenüber SiOy mithilfe von Trockenätzverfahren veröffentlicht. Beispielsweise wurde über ein ultrahochselektives Ätzen von SiNx über SiOy unter Verwendung von Gasen auf CF4-Basis (CF4/O2/N2, CF4/CH4/Ar) mit einem nachgeschalteten chemischen Mikrowellenätzer und einem Ätzer mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) berichtet7,8 ,9. Darüber hinaus wurden NF3-basierte (NF3/O2/NH3, NF3/O2/N2) Gase auch zum ultrahochselektiven Ätzen von Siliziumnitrid über Siliziumoxid mit nachgeschalteten Ätzern auf Basis von ICP oder kapazitiv gekoppeltem Plasma (CCP)9 verwendet. 10,11,12,13. Allerdings muss die Ätzselektivität von Nitrid gegenüber Oxid aufgrund der geringen Dicke des Oxids für die Anwendung aktueller Halbleiterprozesse noch weiter erhöht werden. Darüber hinaus führt die Verwendung von Ätzgasen aus Fluorkohlenstoff (CFx) zu Kontaminationsproblemen durch Kohlenstoff oder zur Ablagerung von CFx (CHx)-Polymeren auf der Oberfläche des Films, was einen nachteiligen Faktor für die Geräteherstellung darstellt. Auch wenn diese Grenzwerte aus technischen Gründen ausgeschlossen sind, sind die hohen Treibhauspotenziale (GWPs) von Ätzgasen auf CF4- und NF3-Basis [GWP-Werte; CF4 (7.390), NF3 (17.200)] wecken in naher Zukunft den Bedarf an alternativen Ätzgasen aus Umweltaspekten14.

ClF3 mit einem GWP von ~ 0 wird hauptsächlich als In-situ-Reinigungsgas für CVD-Kammern (Chemical Vapour Deposition) als Ersatz für Perfluorkohlenstoffverbindungen (PFC) mit hohen GWP-Werten oder als Ätzgas zum Siliziumätzen durch Erhitzen verwendet , neutrales Clusterstrahlätzen, reaktives Ionenstrahlätzen usw.15,16,17,18,19. Darüber hinaus wurde ClF3 für das Ätzen von SiGe in einem ICP-System20, das Ätzen von SiC mit ultrahoher Ätzrate über 10 µm/min21 und das selektive Ätzen von Übergangsmetallen und Metallnitriden wie Tantal (Tantalnitrid) über Metalloxid untersucht ( Ta2O5) mit Niederdruck-Gasätzverfahren22. In dieser Studie wurde ClF3-Fernplasma für ein schnelles und ultrahochselektives Ätzen von Siliziumnitrid (SiNx) über Siliziumoxid (SiOy) eingesetzt, das für die Herstellung von Halbleiterbauelementen der aktuellen und nächsten Generation, einschließlich dreidimensionaler NOT-AND-Flash-Speicher, anwendbar ist. Das Ätzen von SiNx mit ClF3 zeigte eine hohe Ätzrate von über 80 nm/min und eine Ätzselektivität von SiNx gegenüber SiOy von ~ 130. Die Ätzselektivität von SiNx wurde durch die H2-Zugabe im ClF3-Plasma weiter erhöht. Die Wirkung von Cl-, F- und H-Radikalen auf das selektive Ätzen von SiNx wurde mit Plasma- und Oberflächenanalysewerkzeugen untersucht und der Ätzmechanismus vorgeschlagen.

Abbildung 1 ist eine schematische Zeichnung eines in dieser Studie verwendeten induktiv gekoppelten Plasmaätzsystems (ICP) vom Remote-Typ. Die Innenseite der Prozesskammer wurde durch Eloxieren mit einer Aluminiumoxidschicht beschichtet. Der mit einem Konvektionsmessgerät gemessene Basisdruck der Prozesskammer wurde bei 3 × 10–3 Torr gehalten und der mit einem Kapazitätsmanometer (Baratron-Messgerät) überwachte Betriebsdruck wurde bei 200 mTorr gehalten. An die planare ICP-Spule an der Oberseite einer Kammer wurde eine HF-Leistung von 13,56 MHz angelegt. Für das isotrope Ätzen von SiNx wurden Doppelgitter mit mehreren Löchern mit einem Radius von 1,5 mm in der Mitte des ICP-Reaktors angeordnet, um einen Ionenbeschusseffekt zu verhindern und Radikale auf das Substrat zu übertragen. Die Substrattemperatur wurde am Probentisch unterhalb der Probe gemessen, mit einem Thermoelement überwacht und mit einer an eine externe Stromversorgung angeschlossenen Siliziumkarbid-Heizung (SiC) auf 25 bis 500 °C eingestellt. Das Chlortrifluorid (ClF3, > 99,9 %, 200 sccm), H2 (> 99,999 %) und Argon (> 99,999 % Ar, 200 sccm) wurden durch einen kreisförmigen Gasverteiler in die Prozesskammer geleitet.

Schematische Darstellung eines ferngesteuerten induktiv gekoppelten Plasmaätzers (ICP). In der Mitte der Kammer sind Doppelgitter mit mehreren Löchern installiert, um einen Ionenbeschuss zu verhindern und Radikale nur an das Substrat abzugeben. Während des Prozesses wurde die Substrattemperatur (RT ~ 500 °C) durch eine Siliziumkarbid-Heizung (SiC) gesteuert, die sich unter dem Substrat befand.

Leere 1,5 µm dicke SiNx-Dünnfilme, leere 300 nm dicke SiOy-Dünnfilme und Mehrschichtstapel aus sich wiederholenden SiOy- (27 nm) und SiNx-Dünnfilmen (27 nm) wurden durch ein plasmaunterstütztes chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (PECVD) abgeschieden (im Lieferumfang enthalten). von WONIK IPS Inc.).

Die Ätzrate von SiNx und SiOy wurde mit einem Stufenprofilometer (Tencor, Alpha-step 500) und mit Rasteremissionsmikroskopie (REM, Hitachi S-4700) nach Strukturierung mit Fotolack (PR, AZ 5214E) als Ätzmaske gemessen. Außerdem wurden die Ätzprofile der mehrschichtigen Dünnfilme aus SiNx/SiOy-Stapeln mit dem REM beobachtet. Die Oberflächenrauheit der Filme nach dem Ätzen wurde mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM, XE-100, Park System) im berührungslosen Messmodus gemessen. Die Eigenschaften von ClF3/H2-Plasma wurden mit optischer Emissionsspektrometrie (OES, Avaspec-3648) analysiert. Nebenproduktgase während des Ätzprozesses wurden mit Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FT-IR, MIDAC 12.000) überwacht. Der Bindungszustand und die atomare Zusammensetzung von SiNx und SiOy (dünne Filme mit einer anfänglichen Dicke von 500 bzw. 300 nm) vor und nach dem Ätzen wurden durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS, MXP10, ThermoFisher Scientific) mit einem monochromatischen Al Kα analysiert Quelle (1.486,6 eV) mit einer Spotgröße von 400 µm. Die erwartete Energieauflösung von XPS liegt unter 0,5 eV FWHM. Für die Kurvenanpassung wurde die Software Avantage 5.0 verwendet und die Flächen jedes Peaks wurden mit Shirley-Hintergrund berechnet. Der Einfallswinkel der Röntgenstrahlen auf die Probe betrug 50° und ein Energieanalysator mit halbkugelförmigem Sektor wurde senkrecht zum Probentisch positioniert.

Abbildung 2 zeigt die Ätzeigenschaften von SiNx und SiOy nur mit ClF3-Gas und entfernten ClF3-Plasmen. Für entfernte ClF3-Plasmen wurden für die Plasmastabilität 200 sccm Ar zu 200 sccm ClF3 hinzugefügt. Wie in Abb. 2a gezeigt, wurden die Ätzraten von SiNx und SiOy mit zunehmender HF-Leistung aufgrund der verstärkten Dissoziation von ClF3 allmählich erhöht und erreichten die maximalen Ätzraten von SiNx und SiOy bei ~ 90 bzw. ~ 0,8 nm/min. Beachten Sie, dass die Ätzselektivität von SiNx gegenüber SiOy bei HF-Leistungen von 100 bis 400 W nicht wesentlich schwankte (~ 120). Wie in Abb. 2b gezeigt, konnten SiNx und SiOy auch nur durch fließendes ClF3-Gas geätzt werden Die Dissoziation von ClF3 durch HF-Plasmen und die Erhöhung der Substrattemperatur erhöhten die Ätzraten beider Filme. Allerdings waren die gesamten SiNx-Ätzraten durch den ClF3-Gasfluss allein im Vergleich zum Ätzen mit ClF3-Remote-Plasmen viel geringer, was zeigt, dass das ClF3-Remote-Plasmaätzen eine weitaus effektivere Methode für das SiNx-Ätzen ist als das thermische Ätzen ohne Plasma. Obwohl die Ätzraten beider Materialien mit zunehmender Substrattemperatur zunahmen, nahm die Ätzselektivität von SiNx gegenüber SiOy ab. Der gleiche Trend wurde beim Remote-Plasmaätzen beobachtet. Wie in Abb. 2c gezeigt, zeigte der Anstieg der Substrattemperatur auf ~ 500 °C bei einer festen HF-Leistung von 300 W eine allmähliche Abnahme der Ätzselektivität unter 40, während gleichzeitig erhöhte SiNx-Ätzraten über 600 nm/min zu verzeichnen waren. Der Einfluss der Prozesstemperatur auf das Ätzen von SiNx und SiOy kann verstanden werden, indem die Ätzraten von SiNx und SiOy logarithmisch als Funktion der Umkehrtemperatur (1/T) für das ClF3-Fernplasmaätzen aufgetragen werden, wie in Abb. 2d dargestellt. Für das chemisch aktivierte Ätzen können die Ätzraten als folgende Arrhenius-Gleichung beschrieben werden.

Dabei ist k eine Geschwindigkeitskonstante, R die Gaskonstante (1,987 cal K-1 mol-1), T die Prozesstemperatur (K) und Ea die Aktivierungsenergie. Die berechneten Aktivierungsenergien (Ea) von SiNx und SiOy betrugen 1,93 bzw. 3,18 kcal/Mol. Die höhere Aktivierungsenergie von SiOy bedeutet, dass die Ätzrate von SiOy mit zunehmender Temperatur schneller ansteigt als die von SiNx, was zu einer Abnahme der Ätzselektivität von SiNx gegenüber SiOy führt, obwohl die Ätzraten beider Materialien exponentiell ansteigen Erhöhung der Substrattemperatur. Der quadratische Mittelwert (RMS) der Oberflächenrauheit von SiNx und SiOy nach dem Ätzen mit jeder Prozessbedingung (Fernplasma- und thermisches Ätzen) zeigte keine signifikanten Unterschiede in der RMS-Oberflächenrauheit zwischen den Proben für verschiedene Ätzmethoden (Abbildung S1, Ergänzung). Information).

Ätzeigenschaften von SiNx und SiOy (a) als Funktion der HF-Leistung für ClF3-Fernplasma bei RT, (b) als Funktion der Substrattemperatur für chemisches Ätzen nur mit ClF3-Gasfluss und (c) als Funktion der Substrattemperatur für ClF3-Fernplasma bei 300 W HF-Leistung. Für die Plasmastabilität wurden ClF3 200 sccm Ar (200 sccm) zugesetzt. (d) Logarithmische Ätzraten gegenüber 1/T für das ClF3-Fernplasmaätzen von SiNx und SiOy in (c) zur Extraktion der Aktivierungsenergien.

Um die Ätzselektivität von SiNx gegenüber SiOy zu verbessern, wurde ClF3 zusätzlich zu Ar H2 zugesetzt (aus Gründen der Plasmastabilität wurde ClF3/H2 auch Ar zugesetzt), und die Wirkung der H2-Zugabe zu ClF3 auf die Ätzeigenschaften von SiNx und SiOy war wurden als Funktion des H2-Prozentsatzes in ClF3/H2 (ClF3/H2/Ar-Plasma) untersucht und die Ergebnisse sind in Abb. 3a dargestellt. Um den H2-Anteil in ClF3/H2 zu erhöhen, wurde die H2-Flussrate erhöht, während die Substrattemperatur bei 25 °C, der Betriebsdruck bei 200 mTorr, die ClF3-Flussrate bei 200 sccm, die Ar-Flussrate bei 200 sccm und die HF-Leistung gehalten wurden bei 300 W. Die Ätzraten von SiNx und SiOy nahmen mit zunehmendem H2-Anteil ab, die Ätzselektivität von SiNx gegenüber SiOy nahm jedoch mit zunehmendem H2-Anteil in ClF3/H2 zu. Um den Mechanismus des selektiven Ätzens von SiNx gegenüber SiOy zu untersuchen, wurden die dissoziierten Spezies in den Plasmen durch OES in der Mitte der Kammer untersucht und die Nebenprodukte während des Prozesses wurden mithilfe von FTIR an der Pumpstelle überwacht. Abbildung 3b,c zeigt optische Emissionsspektren und die relativen Emissionspeakintensitäten von Cl, F und H, normiert durch die Intensität von Ar als Funktion des H2-Prozentsatzes in ClF3/H2. In Abb. 3b konnten die optischen Emissionspeakintensitäten in Bezug auf Cl, H, F und Ar bei 280, 656, 704 bzw. 750 nm gemessen werden. In Abb. 3c wurden die optischen Emissionsintensitäten von Cl, F und H durch die optische Emissionsintensität von Ar (750 nm) normiert, um den Einfluss der Elektronendichte auf die Schätzung der Radikaldichte aus der Emissionsintensität zu minimieren. Wie in Abb. 3c gezeigt, veränderte der Anstieg des H2-Prozentsatzes die Intensität von Cl nicht, verringerte jedoch die F-Intensität und erhöhte die H-Intensität. Abbildung 3 zeigt die FTIR-Daten der Nebenproduktgase wie SiF4 und HF, die am Pumpstandort für unterschiedliche H2-Prozentsätze in ClF3/H2 gemessen wurden. Mit zunehmender Durchflussrate von H2 verringerte sich die Konzentration von SiF4, was bedeutet, dass das Ätzen von SiNx unterdrückt wurde, während die HF-Konzentration aufgrund der Reaktion von Wasserstoff (H) mit Fluorradikalen (F) im Plasma zunahm. Normalerweise führt die Zugabe von Wasserstoff zu Plasma auf Fluorbasis zum Abfangen von F-Radikalen durch die Bildung gasförmiger HF-Moleküle 23,24, die im Gegensatz zu ihrem wässrigen (ionisierten) Zustand25,26 vernachlässigbare Auswirkungen auf das Ätzen von SiNx (und SiOy) haben.

(a) Ätzeigenschaften von SiNx und SiOy mit ClF3/H2-Plasma als Funktion des H2-Prozentsatzes in ClF3/H2. (b) OES-Daten von ClF3/H2/Ar-Plasma mit unterschiedlichem H2-Prozentsatz in ClF3/H2. (c) optische Emissionsintensitäten von Cl, F und H, normalisiert durch die Intensität von Ar (750 nm) in (b), aufgetragen als Funktion des H2-Prozentsatzes. (d) FTIR-Daten von ClF3/H2-Plasma während des SiNx-Ätzens. Für ClF3/H2-Fernplasmen wurden 200 sccm Ar für die Plasmastabilität hinzugefügt.

Die Si-Bindungszustände und die Oberflächenzusammensetzung von SiNx und SiOy nach dem ClF3/H2-Plasmaätzen wurden mittels Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) analysiert und die Ergebnisse sind in Abb. 4 und Tabelle 1 dargestellt. Das SiNx und SiOy wurden bei der Ätzung geätzt Substrattemperatur von 25 °C, Betriebsdruck bei 200 mTorr, die ClF3/H2/Ar-Flussraten bei 200/(0 und 40)/200 sccm und die HF-Leistung bei 300 W. Wie in Abb. 4a,d gezeigt, Die Referenzen SiNx und SiOy zeigten nur Si–N bei 101,7 eV bzw. Si–O bei 103,4 eV. Nach dem Ätzen mit ClF3-Plasma bildete sich jedoch eine signifikante Si-F-Bindung (103,6 eV) auf der SiNx-Oberfläche, vermutlich aufgrund der Bindung von Si mit F (Abb. 4b). Das Si-F-Bindungsverhältnis nimmt mit der Zugabe von H2 (20 %) aufgrund der Reduzierung von F im Plasma ab (Abb. 4c und Tabelle 1). Allerdings wurde auf der Oberfläche von SiNx keine Chlor- oder Si-Cl-Bindung (~ 103,3 eV) beobachtet, obwohl genügend Cl-Radikale im ClF3/H2-Plasma vorhanden waren, wie durch die OES-Daten in Abb. 3b bestätigt, vermutlich aufgrund der unmittelbaren Reaktion Reaktion von Si-Cl mit F-Radikalen. Wie in Abb. 4e, f) gezeigt, gab es während des Ätzens mit ClF3- und ClF3/H2-Plasma keine signifikante Änderung der F-Konzentration auf der SiOy-Oberfläche. Außerdem wurde bei der Entfaltung der Si-Narrow-Scan-Daten (Si 2p) während des Ätzens mit ClF3- und ClF3/H2-Plasma keine merkliche Si-F-Bindungsbildung auf der SiOy-Oberfläche beobachtet, was darauf hindeutet, dass der größte Teil des F danach auf der SiOy-Oberfläche adsorbiert wird Radierung. Darüber hinaus ist die Menge an F auf der SiOy-Oberfläche viel geringer als die von SiNx, da die Si-O-Bindung im Vergleich zu SiNx weniger reaktiv mit dem F-Radikal ist. Wie in Abb. 4g, h gezeigt, wurde auf der Oberfläche von SiNx und SiOy kein Chlor beobachtet, obwohl das Chlor in OES beobachtet wurde (Abb. 3b). Die für die Kurvenanpassung von SiNx verwendeten Parameter sind in Tabelle 1 beschrieben und der normalisierte Chi-Quadrat-Wert für die Kurvenanpassung lag unter 0,01. Die Zusammensetzungsinformationen der einzelnen Elemente finden Sie in Tabelle S1, Zusatzinformationen.

XPS-Narrow-Scan-Daten (Si 2p) von SiNx (ac), SiOy (df) und Cl 2p (g, h) nach dem Ätzen mit einem entfernten ClF3/H2-Plasma.

Das Ätzen von SiNx und SiOy kann durch die Bindungsenergien von Siliziumverbindungen (Si) erklärt werden. Abbildung 5 zeigt den Ätzmechanismus von SiNx und SiOy unter Cl-, F-Radikalen. Da die Bindungsenergie von Si-F (565 kJ/mol) höher ist als die von Si-N (355 kJ/mol) und Si-O (452 kJ/mol)22, können SiNx und SiOy bei ausreichender Menge spontan geätzt werden F-Radikale im Plasma, obwohl die Ätzung für SiNx viel aktiver ist als für SiOy. Allerdings ist die Bindungsenergie von Si-Cl (381 kJ/mol) etwas höher als die von Si-N, aber niedriger als die von Si-O, was bedeutet, dass das Cl-Radikal nur mit SiNx reagieren kann und eine Si-Cl-Bindung bildet . Sobald sich Si-N in Si-Cl umwandelt, kann Si-Cl durch F-Radikale im Plasma leichter in Si-F umgewandelt werden (aufgrund der schnellen Umwandlung von Si-Cl in Si-F, wie in Abb. 5 dargestellt). Konnte beim Ätzen mit ClF3/H2 kein Chlor auf den Oberflächen von SiNx und SiOy beobachtet werden, wird Si–F auf SiNx als flüchtige SiF4-Verbindung entfernt. Unterdessen verringert die Zugabe von H2 im ClF3-Plasma die Dichte von F-Radikalen durch Bildung von HF im Plasma, was zu einer Verringerung der Si-F-Bildung auf den Oberflächen von SiNx und SiOy führt, was zu einer Verringerung der Ätzraten von SiNx und führt SiOy. Da jedoch die Chlorkonzentration im Plasma durch die Zugabe von H2 nicht wesentlich beeinflusst wird, wie durch die OES-Daten in Abb. 3c bestätigt wird, nimmt die Ätzung von SiNx im Vergleich zu der von SiOy mit steigendem H2-Prozentsatz durch die Umwandlung langsamer ab von Si-Cl auf der Oberfläche von SiNx zu Si–F, was offenbar die Ätzselektivität von SiNx gegenüber SiOy erhöht.

Schematische Darstellung der chemischen Reaktion von ClF3/H2-Fernplasma beim Ätzen von SiNx und SiOy. Mögliche Reaktionswege werden aufgezeigt.

Unter Verwendung der Ätzbedingungen von ClF3 und ClF3/H2 (20 %) wurden gestapelte Schichten aus SiNx/SiOy geätzt. Die Ergebnisse sind in Abb. 6 dargestellt. Abbildung 6a ist der Referenzstapel aus SiNx/SiOy vor dem Ätzen. Abbildung 6b, c zeigt die gestapelte Schicht aus SiNx/SiOy nach dem Ätzen mit ClF3- und ClF3/H2-Plasmen (20 %) für 5 Minuten bzw. 10 Minuten. Wie in Abb. 6b, c gezeigt, konnte sowohl für ClF3 als auch für ClF3/H2 (20 %) ein hochselektives Ätzen von SiNx gegenüber SiOy beobachtet werden, wobei keine merklichen Unterschiede in der SiOy-Dicke entlang der Ätztiefe zu erkennen waren. Daher scheint es, dass die Ätzselektivität für echtes SiNx/SiOy höher sein könnte als die, die mit leeren Wafern gemessen wurde. Die Ätztiefe mit zunehmender Ätzzeit wurde ebenfalls gemessen und die Ergebnisse sind in d) sowohl für ClF3 als auch für ClF3/H2 (20 %) dargestellt. Die gemessenen Ätzraten von SiNx mit ClF3- und ClF3/H2-Remote-Plasma betrugen 80 bzw. 26 nm/min, was aufgrund der isotropen Ätzeigenschaften des reaktiven Plasmas bei Blindproben bei gleichen Plasmabedingungen ähnliche Werte aufweist (Abb. 2a, 3a). Radikale. Darüber hinaus war die Ätztiefe in Abhängigkeit von der Ätzzeit für beide Bedingungen linear, sodass kein vom Seitenverhältnis abhängiges Ätzen beobachtet wurde. (Die prozesszeitabhängigen Ätzprofile von SiNx/SiOy-Stapeln sind in den Abbildungen S2 und S3 dargestellt, ergänzende Informationen).

Ätzeigenschaften nur von ClF3 und ClF3/H2 (20 %) Plasma in gestapeltem SiNx/SiOy. (a) REM-Bilder von gestapeltem Referenz-SiNx/SiOy. Ätzprofil von gestapeltem SiNx/SiOy nach dem Ätzen mit (b) ClF3-Plasma und (c) ClF3/H2 (20 %) für 5 Min. bzw. 10 Min. (d) Ätztiefe von SiNx im gestapelten SiNx/SiOy mit Ätzzeit für ClF3- und ClF3/H2-Plasmen (20 %).

Das isotrope und selektive Ätzen von SiNx über SiOy wurde unter Verwendung von ClF3/H2-Fernplasma mit einer ICP-Quelle untersucht. Das SiNx-Ätzen mit plasmaunterstützten thermischen Prozessen zeigte die höchste Ätzrate sowie die glatteste Oberflächenmorphologie im Vergleich zu dem, das nur mit thermischem Ätzen oder Plasmaätzen geätzt wurde. Die temperaturabhängigen Ätzeigenschaften von SiNx und SiOy zeigten eine höhere Aktivierungsenergie von SiOy im Vergleich zu SiNx im ClF3-Fernplasma. Darüber hinaus verbesserte die Zugabe von H2 (20 %) zum ClF3-Plasma die Ätzselektivität von SiNx gegenüber SiOy von 130 auf 200, obwohl die Ätzrate von SiNx von ~ 83 auf ~ 23 nm/min verringert wurde. Wir glauben, dass die schnelle und ultrahochselektive SiNx-Ätztechnologie nicht nur auf den dreidimensionalen NOT-AND-Flash-Speicher-Fertigungsprozess der nächsten Generation angewendet werden kann, sondern auch auf verschiedene Halbleiterprozesse, bei denen eine präzise Ätzung von SiNx erforderlich ist.

Mirza, MM et al. Nanofabrikation von Sub-10-nm-Silizium-Nanodrähten mit hohem Aspektverhältnis (50:1) mittels induktiv gekoppeltem Plasmaätzen. J. Vac. Wissenschaft. Technol. B 30, 06FF02 (2012).

Seo, D., Bae, JS, Oh, E., Kim, S. & Lim, S. Selektives Nassätzen von Si3N4/SiO2 in Phosphorsäure unter Zusatz von Fluorid und Kieselsäureverbindungen. Mikroelektron. Ing. 118, 66–71 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Bassett, D., Printz, W. & Furukawa, T. Ätzen von Siliziumnitrid in 3D-NAND-Strukturen. ECS Trans. 69, 159 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Chien, YHC, Hu, CC & Yang, CM Ein Design für das selektive Nassätzen von Si3N4/SiO2 in Phosphorsäure mit einem einzigen Wafer-Prozessor. J. Elektrochem. Soc. 165, H3187 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Kim, T., Son, C., Park, T. & Lim, S. Mechanismus des Oxidnachwachsens beim Ätzen von Siliziumnitrid in vertikalen 3D-NAND-Strukturen. Mikroelektron. Ing. 221, 111191 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Bouchilaoun, M. et al. Eine Wasserstoffplasmabehandlung für das sanfte und selektive Ätzen von Siliziumnitrid. Physik. Status Solidi (A) 215, 1700658 (2018).

Chen, L., Xu, L., Li, D. & Lin, B. Mechanismus des selektiven Ätzens von Si3N4 über SiO2 in wasserstoffhaltigem Fluorkohlenstoffplasma. Mikroelektron. Ing. 86, 2354–2357 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Lee, S., Oh, J., Lee, K. & Sohn, H. Ultrahochselektives Ätzen von Si3N4-Filmen über SiO2-Filmen zum Ätzen von Siliziumnitrid-Gate-Spacern. J. Vac. Wissenschaft. Technol. B 28, 131–137 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Kastenmeier, BEE, Matsuo, PJ & Oehrlein, GS Hochselektives Ätzen von Siliziumnitrid über Silizium und Siliziumdioxid. J. Vac. Wissenschaft. Technol. A 17, 3179–3184 (1999).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Ogawa, H., Arai, T., Yanagisawa, M., Ichiki, T. & Horiike, Y. Trockenreinigungstechnologie zur Entfernung von nativem Siliziumoxid unter Verwendung von heißem NH3/NF3. Jpn. J. Appl. Physik. 41, 5349 (2002).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Volynets, V. et al. Hochselektives Si3N4/SiO2-Ätzen mit einem NF3/N2/O2/H2-Fernplasma. I. Plasmaquelle und kritische Flüsse. J. Vac. Wissenschaft. Technol. A 38, 023007 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Jung, JE et al. Hochselektives Si3N4/SiO2-Ätzen mit einem NF3/N2/O2/H2-Fernplasma. II. Oberflächenreaktionsmechanismus. J. Vac. Wissenschaft. Technol. A 38, 023008 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Kastenmeier, BEE, Matsuo, PJ, Oehrlein, GS & Langan, JG Fernplasmaätzen von Siliziumnitrid und Siliziumdioxid unter Verwendung von NF3/O2-Gasmischungen. J. Vac. Wissenschaft. Technol. A 16, 2047–2056 (1998).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Raju, R., Kudo, D., Kubo, Y., Inaba, T. & Shindo, H. Erwärmungspotenzialreduzierung von C4F8 unter Verwendung von induktiv gekoppeltem Plasma. Jpn. J. Appl. Physik. 42, 280 (2003).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Mouri, I. & Hayakawa, S. Anwendung fluorhaltiger Gase zur Reinigung von CVD-Systemen unter Berücksichtigung globaler Umweltprobleme -1- Korrosionsbeständigkeit von für CVD-Systeme verwendeten Materialien gegenüber ClF3. J. Agrar. Meteorol. 52, 849–852 (1997).

Artikel Google Scholar

Flamm, DL Mechanismen der Siliziumätzung in fluor- und chlorhaltigen Plasmen. Reine Appl. Chem. 62, 1709–1720 (1990).

Artikel CAS Google Scholar

Seki, T. et al. Schräges Ätzen von Si durch ClF3-Ar-Gasclusterinjektion. Jpn. J. Appl. Physik. 56, 06HB02 (2017).

Yamamoto, H., Seki, T., Matsuo, J., Koike, K. & Kozawa, T. Strukturierung mit hohem Aspektverhältnis durch neutrales ClF3-Ar-Clusterätzen. Mikroelektron. Ing. 141, 145–149 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Ibbotson, DE, Mucha, JA, Flamm, DL & Cook, JM Plasmaloses Trockenätzen von Silizium mit fluorhaltigen Verbindungen. J. Appl. Physik. 56, 2939–2942 (1984).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Leinenbach, C., Seidel, H., Fuchs, T., Kronmüller, S. & Laermer, F. Eine neuartige Opferschichttechnologie basierend auf hochselektivem Ätzen von Silizium-Germanium in CLF3. IEEE 20. Internationale Konferenz über mikroelektromechanische Systeme (MEMS) 65–68 (2007).

Habuka, H. et al. Ätzen von Siliziumkarbid mit Chlortrifluoridgas. Jpn. J. App. Physik. 44, 1376 (2005).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Ibbotson, DE, Mucha, JA, Flamm, DL & Cook, JM Selektive Interhalogenätzung von Tantalverbindungen und anderen Halbleitermaterialien. Appl. Physik. Lette. 46, 794–796 (1985).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Kim, JH, Lee, HJ, Joo, JH & Whang, KW Einfluss der Radikalverlustkontrolle durch die Kammerwandheizung auf das hochselektive SiO2-Ätzen. Appl. Wissenschaft. Konverg. Technol. 5, 169–174 (1996).

Google Scholar

Nakayama, D. et al. Hochselektives Ätzen von Siliziumnitrid auf Si und SiO2 für einen Gate-Seitenwand-Abstandhalter unter Verwendung eines neutralen CF3I/O2/H2-Strahls. J. Phys. D. 46, 205203 (2013).

Artikel ADS Google Scholar

Knotter, DM & Denteneer, TD Ätzmechanismus von Siliziumnitrid in HF-basierten Lösungen. J. Elektrochem. Soc. 148, F43 (2001).

Artikel CAS Google Scholar

Tian, F. & Teplyakov, AV Siliziumoberflächenfunktionalisierung mit dem Ziel Si-N-Verknüpfungen. Langmuir 29, 13–28 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Diese Forschung wurde vom MOTIE [Ministry of Trade, Industry & Energy (20003665)], dem KSRC (Korea Semiconductor Research Consortium) Förderprogramm für die Entwicklung des zukünftigen Halbleiterbauelements und Samsung Electronics Co., Ltd. (IO201211-08086) unterstützt -01). Diese Forschung wurde auch von der SungKyunKwan-Universität und der BK21 FOUR (Graduate School Innovation) unterstützt, die vom Bildungsministerium (MOE, Korea) und der National Research Foundation of Korea (NRF) finanziert wurde. Die Autoren danken Wonik IPS für die Lieferung von SiNx/SiOy-Stapelwafern und Wonik Materials für die Lieferung von ClF3-Gas.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Won Oh Lee und Ki Hyun Kim.

School of Advanced Materials Science and Engineering, Sungkyunkwan University, 2066 Seobu-ro, Jangan-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do, 16419, Republik Korea

Won Oh Lee, Ki Hyun Kim, Doo San Kim, You Jin Ji, Ji Eun Kang, Hyun Woo Tak, Jin Woo Park und Geun Young Yeom

Forschungs- und Entwicklungsgruppe, Wonik Materials Co. Ltd., Cheongju, 28125, Republik Korea

Han Dock Song, Byeong Ok Cho & Young Lae Kim

Forschungslabor für Elektronik, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA

Ki Seok Kim

SKKU Advanced Institute of Nano Technology (SAINT), Sungkyunkwan University, 2066 Seobu-ro, Jangan-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do, 16419, Republik Korea

Geun Young Yeom

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

GYY hat das Projekt initiiert. WOL, KHK und GYY trugen zum experimentellen Design bei. WOL, KHK hat den Hauptmanuskripttext geschrieben. DSK und JWP haben zum Versuchsaufbau beigetragen. HWT führte eine OES-Messung durch. YJJ, JEK führte die Plasmaverarbeitung durch. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Geun Young Yeom.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Lee, W., Kim, K., Kim, D. et al. Selektives Ätzen von Siliziumnitrid über Siliziumoxid mit ClF3/H2-Fernplasma. Sci Rep 12, 5703 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-09252-3

Zitat herunterladen

Eingegangen: 07. Dezember 2021

Angenommen: 17. März 2022

Veröffentlicht: 05. April 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-09252-3

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein gemeinsam nutzbarer Link verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.