DE10042932C2 - Verfahren zur Herstellung eines Metallkontaktes in einem Dielektrikum - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Metallkontaktes in einem Dielektrikum

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallkontaktes in einem Dielektrikum mittels chemisch-mechanischem Polierens (CMP).
Die US 55 34 462 behandelt Haftungsprobleme zwischen Isolierschichten und Metallisierungen bei der Herstellung von Metallkontakten in Isolierschichten, wobei nach der Kontaktlochbildung eine ganzflächig abgeschiedene Metallisierung aus Wolfram durch einen chemisch-mechanischen Polier- Prozess (CMP) abgetragen wird. Die üblichen Haftschichten aus Titan oder Titannitrid müssen beim CMP mit entfernt werden, was die Dauer des CMP-Prozesses erheblich verlängert. Die US 55 34 462 empfiehlt daher Aluminiumnitrid (AlN) als Haftschicht für Wolfram auf Siliziumoxid zu verwenden. Dabei wird erwähnt, dass durch die verbesserte Haftung ein Abheben der Wolframschicht im CMP- Schritt vermieden wird. Zudem geht bereits aus der US 55 34 462 hervor, dass die Haftschicht aus AlN während des CMP-Schrittes durch geeignete Wahl der Chemie als Polierstop dienen kann.
Die EP 06 96 819 A1 empfiehlt für die Herstellung integrierter Schaltungen diamantartigen Kohlenstoffschichten als Isolierschicht mit niedriger Dielektrizitätszahl. Die EP 06 96 819 A1 verwendet zur Bearbeitung der diamantartigen Kohlenstoffschichten zur Kontaktloch- Herstellung Reaktives Ionenätzen (RIE) und als Planarisierungsverfahren CMP. Es werden Ätzstopschichten aus siliziumdotierten diamantartigen Kohlenstoffschichten empfohlen und Kontaktschemen aus Aluminium, Wolfram und Kupfer mit Linern aus Tantal oder Tantalnitrid bei Isolierschichten aus Siliziumoxid oder polymerem Material beschrieben.
Auch Matsubara, Y., et al., "Low-k Flourinated Amorphous Carbon Interlayer technology for Quarter Micron Devices" in IEDM 1996, Seite 369-372, und Borst, C. L., "Chemical Mechanical Polishing Mechanisms of Low Dielectric Constant Polymers in Copper Slurries" in Journal of the Electrochemical Society, 146 (1999), Nr. 11, Seite 4309-4315 behandeln Fragen zur Haftung und Selektivität von diamantartigen Kohlenstoffschichten bei CMP-Prozessen. Aus Matsubara et al. ist es bekannt, dass sich amorphe Kohlenstoffschichten bei CMP-Prozessen leicht von Siliziumoxid lösen können. Aus Borst et al. geht hervor, daß Polymerschichten bei geeigneter Wahl des Poliermittels eine Oberflächenschicht ausbilden, die ein leichtes Ablösen dieser Schicht in einem CMP-Prozess erlauben.
Amorphe Kohlenstoffschichten bei einem Dual-Damascene Prozess als Polierstop auf anderen Materialien mit niedriger Dielektrizitätszahl zu verwenden, ist zudem aus der WO 99/33102 A1 bekannt.
Aus IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 32, No. 10B, März 1990, Seite 114-115 ist es ebenfalls bekannt, Polierstoppschichten aus Diamant ähnlichem Kohlenstoff zu bilden.
Die dabei verwen­ deten Metallisierungen können beispielsweise aus Wolfram oder Kupfer bestehen.
Bei elektronischen Komponenten bestehen Verbindungen zwischen Metallbahnebenen in der Regel aus sogenannten W- bzw. Wolf­ ram-Kontakten. Diese werden hergestellt, indem nach der Strukturierung der Kontaktlöcher ganzflächig ein in der Regel aus Titan und Titanverbindungen (z. B. TiN) bestehender Liner und anschließend eine Metallisierung aus Wolfram auf das Die­ lektrikum aufgebracht wird. Im Anschluss daran wird in einem CMP-Prozess (chemisch-mechanischer Polier-Prozess) das aufge­ brachte Material bereichsweise abgetragen. Dieser CMP-Schritt stoppt auf dem Dielektrikum, in dem die Strukturierungen vor­ handen sind. Es verbleiben die mit Wolfram gefüllten Kontakt­ löcher. Ähnliches gilt für eine Kupfermetallisierung oder sonstige Metallisierung bei der sowohl die Kontaktlöcher, als auch die Leiterbahn vor der Metallabscheidung in das Die­ lektrikum strukturiert wird.
Die Vorgehensweise entsprechend dem Stand der Technik ist mit verschiedenen Problemen verbunden:
  • - Es ergibt sich eine hohe Defektdichte durch CMP-Kratzer, die davon abhängt, wie lange das Dielektrikum poliert wird.
  • - Es erfolgt eine wesentliche Erosion der Alignmentmarken der Lithographie, was zu Overlay-Fehlern führen kann.
  • - Durch zu kurzes Polieren im CMP-Prozess können mit Metall­ reste in der folgenden Metallebene zu Kurzschlüssen füh­ ren.
  • - Defekte in unterliegenden Ebenen (z. B. Kratzer, Löcher) bilden sich im Dielektrikum ab und werden mit Metall ge­ füllt. Dieses Metall läßt sich im CMP-Schritt nur schwer entfernen und führt später zu Kurzschlüssen.
Die aufgeführten Nachteile werden dadurch verschärft, dass die Endpunkterkennung des CMP-Prozesses unzuverlässig ist. Weist das Dielektrikum eine Resttopologie auf, so entstehen daraus weitere Nachteile, da eine längere Polierzeit notwen­ dig wird.
Derartige Verfahren können auch auf eine Leiterbahnebene an­ gewendet werden, wobei die sogenannte Damascene-Technik ver­ wendet wird. Die Beschreibung des technischen Gegenstandes erfolgt in dieser Schrift im Wesentlichen anhand von Kontakt­ löchern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten CMP-Prozess zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den Prozeß entspre­ chend Anspruch 1.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass durch eine geeignete Hilfsschicht, die vor der Kontaktloch- bzw. Metall­ bahnätzung auf das Dielektrikum aufgebracht wird, der CMP- Prozess wesentlich verbessert werden kann. Die Hilfsschicht, die sich durch die oxidierenden Verhältnisse beim Metall-CMP- Prozess rückstandsfrei nasschemisch ätzen lässt oder durch das Polieren sehr leicht entfernt werden kann, vermindert übermäßi­ ges Bearbeiten der Oberfläche des Dielektrikums.
Die Hilfsschicht ist vorzugsweise in einer Stärke von 20 bis 100 nm ausgebildet. Sie besteht vorzugsweise aus diamantähn­ lichem Kohlenstoff, Kohlenstoffpolymeren oder aus anderen po­ rösen Materialien. Maßgebend ist die leichte und rückstands­ freie Abtragung im CMP-Prozess. Die oxidierenden Verhältnisse in einem Metall-CMP-Prozess werden beispielsweise erzeugt durch folgende Substanzen: Fe(NO3)3, H2O2, KIO4.
Durch die Möglichkeit des Unterätzens des Liners, sobald die­ ser im CMP-Prozess durchbrochen wird, kann der Liner selbst in der Umgebung wesentlich schneller wegpoliert werden. Dies führt insgesamt zu folgenden Vorteilen:
  • - der Liner wird zuverlässiger und schneller entfernt, was die Zeit für den CMP-Prozess verkürzt. Als direkte Folge davon verringert sich die Zeit des Überpolierens auf dem Dielektrikum, wodurch die Defektdichte unmittelbar sinkt. In diesem Zusammenhang ist auch der Vorteil zu nennen, dass die Kantenverrundung von Alignmentmarken stark redu­ ziert wird, wodurch eine zuverlässigere und genauere Jus­ tierung der Photomaske zur Strukturierung der nächsten Me­ tallebene ermöglicht wird.
  • - Im Falle einer vorhandenen Topologie im oder auf dem Die­ lektrikum kann die Gefahr von Linerresten in tieferliegen­ den Gebieten erheblich reduziert werden. Dies beruht auf der Anhebung des Liners und der Metallisierung durch die darunter liegende Hilfsschicht. Somit sind insbesondere in oberflächlichen Vertiefungen des Dielektrikums der Liner und die Metallisierung vom CMP-Prozess erfassbar.
  • - Werden durch Defekte aus tiefer liegenden Ebenen lokale Topologien transferiert, so werden diese anstatt mit Me­ tall mit der Hilfsschicht gefüllt. Dadurch kann das Verbleiben von Metallresten, die später zu Kurzschlüssen führen würden, an diesen Stellen vermieden werden.
  • - Weiterhin kann die Strukturierbarkeit der nächsten Metall­ ebenen positiv beeinflusst werden, indem die Höhe, um die eine Leiterbahn bzw. das Kontaktloch über dem Dielektrikum hinaussteht verringert wird. Dies ist im Zusammenhang mit einer geringeren Defektdichte nach dem Metall-CMP-Prozess zu sehen, wobei sich im daran anschließenden sogenannten Touchup die Menge des zu entfernenden Oxides verringert.
Vorzugweise kann ein zusätzlicher nasschemischer Reinigungs­ schritt angefügt werden, wenn Reste der Hilfsschicht entfernt werden müssen. Dieser Reinigungsschritt kann in einfacher Weise mit der obligatorischen Bürstenreinigung nach dem CMP- Prozess oder der nasschemischen Nachreinigung kombiniert wer­ den.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Hilfsschicht als Hartmaske für die Kontaktlochstrukturierung mittels Trockenätzen zu verwenden. Dies geschieht vor dem CMP-Prozess, so dass eine Mehrfachnutzung der Hilfsschicht vorliegt. In Verbindung mit einem CARL-Lack ist eine solche Hilfsschicht ebenso als Ersatz für ein Bottom-Resist als Hartmaske für die Strukturierung von Kontaktlöchern einsetz­ bar. Somit entsteht kein Kostennachteil durch eine zusätzli­ che Schicht.
Im folgenden wird anhand von schematischen Figuren eine Aus­ führungsbeispiel beschrieben.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt vor einem Wolfram-CMP-Prozess mit einer Hilfsschicht 4,
Fig. 2 zeigt den Stand der Technik ohne eine Hilfsschicht 4,
Fig. 3 zeigt das Erreichen der Hilfsschicht 4 durch die der CMP-Prozeß aufgrund des schnellen Abtrages der Hilfsschicht förmlich durchbricht,
Fig. 4 zeigt das Entfernen von Linerresten durch Kombination von Polieren und Unterätzen, und
Fig. 5 zeigt das Entfernen von Linerresten bei unten liegen­ der Topologie.
Die Hilfsschicht kann auch als Durchbruchsschicht bezeichnet werden, da der CMP-Prozess in sofern durchbrochen wird, als durch den Einsatz der Hilfsschicht die Metallisierung und der Liner einfacher abzutragen sind. Die Hilfsschicht selbst wird dabei vollständig entfernt. Da die Hilfsschicht anfänglich vom Liner und vom Metall vollständig bedeckt ist, kann der Ätzangriff erst dort lokal erfolgen, wo der CMP-Prozess den Liner vollständig entfernt hat. An diesen Stellen erfolgt an­ schließend eine Unterätzung des Liners entsprechend Fig. 3.
Die Fig. 1 und 3 bis 5 zeigen den schematischen Ablauf ei­ ner Kontaktlochätzung für die Herstellung von sogenannten W- Kontakten. Dargestellt ist jeweils ein in der Regel aus einem Oxid bestehendes Dielektrikum 1 in dem ein Kontaktloch herge­ stellt werden soll. Über einem im Dielektrikum 1 enthaltenen Bereich aus Aluminium-Kupfer ist durch vorhergehenden Struk­ turierung ein Hohlraum geschaffen worden, der vom Liner 2 vollständig ausgekleidet und mit Wolfram 3 ausgefüllt ist. Nach dem Stand der Technik würde in einem CMP-Prozess der über dem Bereich des Dielektrikums liegende Liner 2 sowie die darüber liegende Metallisierung aus Wolfram 3 entfernt wer­ den. Zur restlosen Entfernung des Liners 2, der in der Regel aus einem relativ hartem Material wie beispielsweise Titan besteht, muss in einem hohen Maße überpoliert werden. Dies führt zu einer wesentlichen Defektdichte durch CMP-Kratzer auf dem Dielektrikum.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung entsprechend dem Stand der Technik in Fig. 2, wobei zusätzlich die Hilfsschicht 4 vor­ handen ist. Die Hilfsschicht 4 ist auf dem Dielektrikum 1 po­ sitioniert. In Strukturierungen wie Durchgangslöchern ist die Hilfsschicht 4 nicht vorhanden. In Fig. 1 ist erkennbar, dass in einem CMP-Prozess, der auf dem Dielektrikum 1 ge­ stoppt wird, sowohl die Wolframschicht 3 als auch der Liner 2 teilweise und die Hilfsschicht 4 vollständig entfernt werden. Die Eigenschaft der Hilfsschicht 4 führt dazu, dass der CMP- Prozess wesentlich optimiert wird, indem beim Durchbrechen des Liners 2 dieser unterätzt wird und relativ einfach zu entfernen ist.
Fig. 3 zeigt schematisch das Erreichen der Hilfsschicht 4 im CMP-Prozess, wobei die Schicht des Liners 2 Durchbrüche 5 aufweist, so dass die chemische Abtragung bzw. Unterätzung der Hilfsschicht 4 erfolgen kann.
Fig. 4 verdeutlicht die schnelle Entfernung von Linerresten durch die Kombination von chemischem und mechanischem Abtrag. Die dargestellten Pfeile zeigen an, dass die Hilfsschicht 4 sowohl durch Unterätzen seitlich abgetragen wird als auch der mechanische Polierprozess von oben wirkt.
Fig. 5 zeigt eine aus Vertiefungen bestehende Topologie an der Oberfläche des Dielektrikums 1. Diese unten liegende To­ pologie würde im Stand der Technik dafür sorgen, dass die Prozesszeit stark verlängert ist, bis der Liner 2 restlos entfernt ist. Durch das Vorhandensein der Hilfsschicht 4 wird die Linerschicht derart über die Oberfläche des Dielektrikums 1 angehoben, dass ein schneller mechanischer Abtrag möglich ist. Die chemische Ätzung der Hilfsschicht 4 wirkt gleichzei­ tig.
Es ist möglich, das Erreichen der Hilfsschicht durch ein End­ punktsignal während des CMP-Prozesses zu detektieren. Jetzt können insbesondere Motorstrommessungen, Temperaturmessungen, optische Reflektionsmessungen, akustische- und Vibrationsmes­ sungen oder sogar Messungen der Padverfärbung (Verfärbung der Anschlussflecken) angewendet werden.
Für den Fall, dass die Hilfsschicht 4 zugleich als Hartmaske für vorausgehende Strukturierungen verwendet wird, kann sie als Bestandteil eines CARL-Verfahrens eingesetzt werden. Die Prozessführung bei einem CARL-Lack erfolgt in drei Schritten.
Im ersten Schritt wird der CARL-Lack aufgebracht, belichtet, entwickelt und silyliert. Im zweiten Schritt wird die Hilfs­ schicht selektiv zur silylierten CARL-Schicht durchgeätzt. Dies geschieht unter Einsatz von O2 mit SO2, CHF3, N2 oder H2/N2 in einem Trockenätzverfahren. Vorzugsweise können ME- RIE-Reaktoren (Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching) oder High Density Quellen, wie induktiv gekoppelte Anregungen oder eine ECR-Quelle, verwendet werden.
Das eigentliche Via (Kontaktloch) wird in einem zweiten Schritt mit hoher Selektivität gegenüber der Hilfsschicht 4 strukturiert. Dies geschieht unter Einsatz von Ar, CHF3, CF4 oder Ar, C4F8, CO, O2 oder Ar, C5F8, O2 oder Ar, C4F6, O2. Der CARL-Lack wird dabei gleichzeitig entfernt. Auf diese Weise kann die Maßhaltigkeit der Vias verbessert werden, und die Gefahr eines Ätzstopps bei zu kleinen oder zu tiefen Vias verringert sich.
Als Alignmentmarken 7 (Ausrichtemarken) werden beispielsweise die oberen Ecken bzw. Kanten der Schicht aus Wolfram 3 ver­ wendet, wie es in den Fig. 3 bis 5 dargestellt ist. Nach dem Stand der Technik sind bei einer üblichen Polierzeit die­ se Kanten teilweise stark erodiert, d. h. abgerundet, so dass Ausrichtefehler einhergehen. Durch die Verringerung der CMP- Prozesszeit werden diese Alignmentmarken 7 weniger stark an­ gegriffen, d. h. kontrastreicher ausgebildet.
Bezugszeichenliste
1
Dielektrikum
2
Liner
3
Wolfram
4
Hilfsschicht
5
Durchbruch
6
Topologie
7
Alignmentmarke

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines Metallkontakts in einem Dielektrikum (1) mit den Schritten:
Bilden eines Kontaktlochs in dem Dielektrikum (2);
Vorsehen eines ganzflächig abgeschiedenen Liners (2) aus Ti­ tan oder einer Titanverbindung auf dem Dielektrikum (1) und in dem Kontaktloch;
Vorsehen einer ganzflächig abgeschiedenen Metallisierung (3), welche vorzugsweise aus Wolfram oder Kupfer besteht, auf dem Dielektrikum (1) und in dem Kontaktloch, wobei zumindest in den das Kontaktloch umgebenden Bereichen auf dem Dielektrikum (1) eine durch den CMP-Prozess leicht entfernbare Hilfs­ schicht (4) zwischen dem Dielektrikum (1) und dem Liner (2) vorgesehen wird; und
Abtragen der Metallisierung (3), des Liners (2) und der Hilfsschicht (4) durch einen CMP-Prozess, der auf dem Dielektrikum (1) stoppt, wobei beim Durchbrechen des Liners (2) eine Unterätzung des Liners (2) durch Abtragen der Hilfs­ schicht (4) erfolgt, so dass der darüberliegende Liner (2) abgehoben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschicht (4) eine Schichtdicke im Bereich von 20 bis 100 nm aufweist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschicht (4) zumindest als Teil einer Hartmaske für eine Trockenätzung zum Bilden des Kontaktlochs verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erreichen der Hilfsschicht (4) durch ein Ätzstopp- Erfassungssignal während des CMP-Prozesses detektiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher nasschemischer Reinigungsschritt am En­ de des CMP-Prozesses durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschicht (4) aus diamantähnlichem Kohlenstoff, Kohlenstoffpolymeren oder aus porösem Material besteht.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschicht (4) in Verbindung mit einem CARL-Lack als Bottom-Resist verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (1) derart gestaltet ist, dass die Me­ tallisierung (3) eine Kante aufweist, welche als Alignment­ marke (7) dient, und die Hilfsschicht (4) an der Kante vorge­ sehen wird.
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