DE10059836A1 - Verfahren zur Strukturierung dielektrischer Schichten - Google Patents
Verfahren zur Strukturierung dielektrischer SchichtenInfo
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Abstract
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Strukturieren einer dielektrischen Schicht, mit dem sublithographische Strukturen geätzt werden können. Verfahren umfaßt eine zweistufige Plasmaätzung, bei der während der ersten Ätzstufe eine Maske durch eine Polymerabscheidung gezielt verengt wird. In der zweiten Stufe wird dann im wesentlichen ohne eine Polymerabscheidung geätzt. Im folgenden kann dann eine leitfähige Schicht auf die strukturierte, dielektrische Schicht abgeschieden und durch ein CMP-Verfahren strukturiert werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strukturieren
von dielektrischen Schichten.
In der Halbleitertechnologie spielen
photolithographische Verfahren zur Erzeugung integrierter
Schaltungen auf einem Halbleitersubstrat eine zentrale Rolle.
Dabei wird eine strahlungsempfindliche Resistschicht auf der
Oberfläche einer zu strukturierenden Schicht eines Substrats
aufgebracht und in ausgesuchten Bereichen mit einer
geeigneten Strahlung belichtet. Anschließend werden entweder
nur die bestrahlten oder unbestrahlten Bereiche der
Photoresistschicht durch einen oder mehrere geeignete
Prozessschritte von dem Substrat entfernt. Das so in der
Photoresistschicht erzeugte Muster entspricht dem Muster, das
in einer anschließenden Ätzung in die unter der
Photoresistschicht liegende, zu strukturierende
Substratschicht übertragen werden soll. Während der Ätzung
dient die entwickelte Photoresistschicht als Maske, die einen
Materialabtrag in den durch sie abgedeckten Bereichen der
Substratschicht verhindert. Nach dem strukturierenden
Prozessschritt wird die Photoresistmaske wieder entfernt, die
somit nicht Bestandteil der integrierten Schaltung wird.
Ein typisches lithographisches Strukturierungsverfahren
ist in den Fig. 1a bis 1d am Beispiel des Aufbaus von
Leiterbahnebenen in Halbleiterbauelementen, wie beispielweise
DRAM, embedded DRAM, oder Logikbauelementen, dargestellt. Die
Fig. 1a bis 1d zeigen schematisch einen typischen
Prozessablauf zur Herstellung einer Wolfram-
Metallisierungsebene mittels der Damascene-Technik. Auf einer
isolierenden Schicht (10), beispielsweise Siliziumoxid, wird
durch einen Lithographieprozess eine Lackmaske (16)
aufgebracht (Fig. 1a). In dem in den Fig. 1a bis 1d
dargestellten Verfahren besteht die Lackmaske aus einer
Antireflektionschicht (12) und einer über dieser liegenden
Photoresistschicht (14). Um die heutzutage geforderten
Strukturgrößen bei der Strukturierung der Photoresistschicht
(14) zu erreichen, wird diese üblicherweise mit Strahlung aus
dem DUV-Wellenlängenbereich (deep-ultra-violett) belichtet.
Die Verwendung von Antireflektionsschichten (ARC, anti
reflective coating) verbessert die Qualität der entwickelten
Lackmaske, indem störende Streu- und Interferenzeffekte
während der Belichtung in der Lackmaske unterdrückt werden.
Die belichtete Photoresistschicht wird anschließend
entwickelt und die Antireflektionsschicht in den nach der
Entwicklung freiliegenden Bereichen durch ein Ätzverfahren
entfernt. Die so in der Lackmaske erzeugte Struktur wird
anschließend durch einen Trockenätzprozeß, beispielsweise
durch reaktives Ionenätzen (RIE, reactive ion etching), in
die isolierende Schicht übertragen (Fig. 1b). Durch diese
Ätzung werden nicht nur die gewünschten Strukturen, z. B.
Leitergräben, in die isolierende Schicht geätzt, sondern auch
die Lackmaske teilweise erodiert.
Anschließend wird in einigen Zwischenschritten die
erodierte Lackmaske von der isolierenden Schicht (10)
entfernt und die Oberfläche der isolierenden Schicht (10) für
einen Abscheidungsprozess vorbereitet. Dann wird in einem
CVD-Prozeß (chemical vapor deposition) ganzflächig Wolfram
auf der strukturierten Oberfläche der isolierenden Schicht
(10) abgeschieden (Fig. 1c). Abschließend wird die
abgeschiedene Metallschicht (18) durch chemisch-mechanisches-
Polieren (CMP, Chemical mechanical polish) teilweise wieder
abgetragen. Bei dem Polieren wird ein Teil der isolierenden
Schicht (10) mit abgetragen (oxide touch up). In Fig. 1d ist
die fertig strukturierte Metallisierungsebene dargestellt, in
der die Leiterbahnen (20) entlang den durch die Ätzung
erzeugten Gräben verlaufen.
Mit der immer höher werdenden Integrationsdichte von
Halbleiterschaltungen werden auch die Anforderungen an die
Lithographiemasken und den Ätzprozeß zunehmend
anspruchsvoller. Gefordert werden Verfahren, mit denen immer
kleinere kritische Dimensionen sowie immer höhere
Aspektverhältnisse verwirklicht werden können. Die
Verringerung der kritischen Dimension, d. h. der kleinsten
noch erzeugbaren Strukturabmessung, sowie die Steigerung des
Aspektverhältnisses, d. h. das Verhältnis der vertikalen zur
horizontalen Ausdehnung einer zu ätzenden Struktur, in
lithographischen Strukturierungsprozessen sind Gegenstand
ständiger Forschung.
Von besonderer Bedeutung ist die weitere Reduktion der
kritischen Dimensionen bei der Ätzung von Leiterbahnen in
Metallisierungsebenen. Mit der zunehmenden Leiterbahndichte,
als Folge der steigenden Integrationsdichte der
Halbleiterbauelemente, vergrößern sich die Koppelkapazitäten
zwischen den Leiterbahnen. Um diesem Effekt entgegen zu
wirken, müssen schmalere Leiterbahnen erzeugt werden, da so
bei gleichbleibender Leiterbahndichte die Abstände zwischen
den einzelnen Leiterbahnen zunehmen. Mit zunehmenden Abstand
der Leiterbahnen untereinander werden die Koppelkapazitäten
verringert. Auf diese Weise können z. B. die Koppelkapazitäten
von Bitlines verringert werden und so in der trench-DRAM
Technologie die Anforderungen an die trench-Kapazitäten
weiter reduziert werden. Darüber hinaus vereinfachen schmale
Leiterbahnen auch die zu ihrer Strukturierung eingesetzten
chemisch-mechanischen Polierverfahren. Hier wirken sich die
breiteren Oxidstege zwischen den Leiterbahnen positiv aus.
Zur Verringerung der kritischen Dimension in
litographischen Prozessen werden verschiedene Ansätze
verfolgt. Beispielsweise wird versucht, Photolacke zu
entwickeln, die für die Belichtung mit besonders kurzwelliger
Strahlung geeignet sind. Die Wellenlänge des zur Bestrahlung
der Photoresistschicht verwendeten Lichtes bestimmt
unmittelbar die minimale Größe einer Struktur, die in der
Photoresistschicht noch aufgelöst werden kann. Je
kurzwelliger das zur Bestrahlung eingesetzte Licht ist, um so
feiner kann die Photoresistmaske strukturiert werden.
Weiterhin wird versucht, effektivere Antireflektionsschichten
zu entwickeln, um auf diese Weise die Qualität der
Strukturübertragung von der Lithographiemaske in die
Lackmaske weiter zu verbessern.
Ein wesentlicher Nachteil der bisher genannten Ansätze
liegt allerdings darin, dass die kritische Dimension der zu
ätzenden Struktur durch die Belichtung der Photoresistschicht
begrenzt wird. Kleinere Strukturen als die, die durch die
Belichtung in der Photoresistschicht noch aufgelöst werden
können, können anschließend nicht in die zu strukturierende
Schicht geätzt werden.
Ein Verfahren, das diesen Nachteil vermeidet, ist in der
US-Patentschrift US-6,107,177 beschrieben. Gemäß diesem
Verfahren wird eine Lackmaske, die aus einer
Photoresistschicht und einer darunterliegenden
Antireflexionsschicht besteht, in einem ersten Schritt durch
eine Lithographiemaske strukturbelichtet. Anschließend wird
die Photoresistschicht entwickelt. Vor der Strukturierung der
Antireflektionsschicht wird die entwickelte
Photoresistschicht einer Silylierungsreaktion unterzogen.
Durch die Silylierungsreaktion wird auf der Oberfläche und
den Flanken der Photoresistschicht ein die Maske
verbreitender Film erzeugt, dessen Dicke durch die Dauer der
Silylierungsreaktion gesteuert werden kann. Dieser Film
erhöht zum einen die Beständigkeit des Photoresist in den
folgenden Ätzprozessen, zum anderen kann durch die
nachträgliche Abscheidung des Films auf den Resistflanken die
durch die Maske vorgegeben kritische Dimension weiter
verringert werden.
Allerdings setzt dieses Verfahren die Verwendung von
Photolacken voraus, die gegenüber der Silylierungsreaktion
kompatibel sind. Darüber kann die Silylierungsreaktion als
weiterer Prozessschritt das Gesamtprozessfenster des
Prozesses zusätzlich verringern. Weiterhin bedingt der
zusätzliche Reaktionsschritt einen zusätzlichen apparativen
und zeitlichen Aufwand, sowie zusätzliche Kosten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Strukturierung einer
dielektrischen Schicht bereitzustellen, welches die oben
beschriebenen Nachteile verringert bzw. ganz vermeidet.
Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren bereitzustellen, mit dem auf einfache Weise
Strukturen mit sublithographischen kritischen Dimensionen in
einer dielektrischen Schicht erzeugt werden können.
Diese Aufgabe wird von dem Verfahren zum Strukturieren
dielektrischer Schichten gemäß dem Patentanspruch 1 und dem
Verfahren zur Strukturierung einer elektrisch leitfähigen
Schicht gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte
Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Aspekte der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen
Patentansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden
Zeichnungen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Strukturieren
einer dielektrischen Schicht bereitgestellt, das die
folgenden Schritte umfaßt: Ein Substrat, das eine
dielektrische Schicht und eine auf der dielektrischen Schicht
aufgebrachte, die dielektrische Schicht in Teilbereichen
abdeckende, Horizontalbereiche und Flankenbereiche umfassende
Maske umfaßt, wird bereitgestellt. Die dielektrische Schicht
wird während eines ersten Zeitraums in ihren von der Maske
nicht abgedeckten Bereichen durch ein Plasma, das aus einem
ersten Ätzgas erzeugt wird, bis zu einer ersten Tiefe geätzt.
Dabei bilden sich in den geätzen Bereichen der dielektrischen
Schicht Ätzflanken aus. Während des ersten Zeitraums sind das
Ätzgas und das Plasma so gewählt, dass sich ein polymeres
Material zumindest auf den Flankenbereichen der Maske und auf
den Ätzflanken der dielektrischen Schicht abscheidet. Die
dielektrische Schicht wird während eines zweiten, Zeitraums,
in den Bereichen der dielektrischen Schicht, die nicht von
der Maske und dem während des ersten Zeitraums abgeschiedenen
polymeren Material abgedeckt sind, durch ein Plasma, das aus
einem zweiten Ätzgas erzeugt wird, bis zu einer zweiten Tiefe
geätzt. Dabei sind das Ätzgas und das Plasma so gewählt, dass
die Ätzung im wesentlichen ohne eine Abscheidung von
polymeren Material auf der dielektrischen Schicht oder dem
während des ersten Zeitraums abgeschiedenen polymeren
Material erfolgt.
Unter den Begriff "Maske" fallen im Rahmen der
vorliegenden Erfindung Lackmasken sowie Hartmasken. Als
Lackmasken können dabei alle für lithographische
Strukturierungsprozesse einsetzbaren Maskentypen verwendet
werden. Solche Lackmaske sind dem Fachmann bekannt. Besonders
bevorzugt sind Lackmasken, die mit besonders kurzwelliger
Strahlung strukturbelichtet werden können. Die Lackmasken
können einlagig oder mehrlagig sein. Besonders bevorzugt ist
die Verwendung von zumindest zweilagigen Lackmasken, die
optional eine Antireflektionsschicht umfassen. Geeignet sind
z. B. Antireflexionsschichten, die von der Firma Brewster
unter der Bezeichnung DUV30 kommerziell angeboten werden.
Als Hartmasken kommen Schichten aus allen gängigen
Hartmaskenmaterialien in Frage. Solche Materialien sind z. B.
Silizium oder Siliziumnitrid. Die Hartmasken können ebenfalls
ein- oder mehrlagig aufgebaut sein.
Unter dem Begriff "Horizontalbereiche" sind im Rahmen
der vorliegenden Erfindung die Bereiche einer entwickelten
bzw. strukturierten Maske zu verstehen, deren Oberfläche im
wesentlichen horizontal, d. h. im wesentlichen parallel zu der
Oberfläche der dielektrischen Schicht, verläuft. Im Gegensatz
dazu umfaßt der Begriff "Flankenbereiche" die Bereiche der
entwickelten bzw. strukturierten Maske, deren Oberfläche im
wesentlichen vertikal zu der Oberfläche der dielektrischen
Schicht verläuft. Durch die Flankenbereiche der Maske wird
die in der Maske erzeugte Struktur definiert.
Unter dem Begriff "Ätzflanken" sind im Rahmen der
vorliegenden Erfindung die Flankenbereiche der durch die
erste Ätzung in die dielektrische Schicht übertragenen
Struktur zu verstehen. Der Neigungswinkel der Ätzflanken,
bezogen auf die ungeätzte Oberfläche der dielektrischen
Schicht unter den Horizontalbereichen der Maske, ist flacher
als der Neigungswinkel der Flankenbereiche der ursprünglich
strukturierten Maske, bezogen auf die Oberfläche der
ungeätzten dielektrischen Schicht.
Ohne sich darauf festlegen zu wollen, wird vermutet,
dass das im ersten Zeitraum abgeschiedene polymere Material
im wesentlichen nur aus Bestandteilen des Ätzgases aufgebaut
ist. Es ist allerdings nicht ausgeschlossen, dass das
polymere Material einen geringfügigen Anteil von aus dem
Maskenmaterial oder dem geätzen dielektrischen Material
stammenden Bestandteilen aufweist. Diese Materialien können
sowohl in das polymere Material eingebaut oder nur durch das
polymere Material eingeschlossen werden.
Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren werden die
Ätzbedingungen während des ersten Zeitraums so gewählt, dass
die dielektrische Schicht in den Bereichen, die nicht durch
die Maske abgedeckt sind, geätzt wird. Während der Ätzung der
dielektrischen Schicht scheidet sich auf den Flankenbereichen
der Maske ein polymeres Material ab. Zusätzlich scheidet sich
das polymere Material aber auch auf den Ätzflanken der in der
dielektrischen Schicht erzeugten Struktur, z. B. Leitergräben,
ab. Bei dieser Abscheidung kann sich während des Zeitraums
der Ätzung polymeres Material zu einer Schicht abscheiden,
deren Schichtdicke im wesentlichen während des gesamten
Zeitraums der Ätzung anwächst.
Dadurch können die nicht durch die Maske abgedeckten
Bereiche der dielektrischen Schicht während des ersten
Zeitraums weiter verengt werden, bzw. die Maske kann
verbreitert werden. Aufgrund der mit der Ätzung
einhergehenden Polymerabscheidung können die Ätzflanken
flacheren Flankenwinkel als die Flanken der Maske aufweisen.
Das auf den Flankenbereichen der Maske und den Ätzflanken
abgeschiedene polymere Material kann die die
darunterliegenden Bereiche der dielektrische Schicht während
des zweiten Zeitraums vor einem weiteren Materialabtrag
schützen. Dadurch können in dem zweiten Zeitraum Strukturen
mit geringeren als den durch die Lithographiemaske
vorgegebenen kritischen Dimensionen geätzt werden. Durch die
Steuerung der Abscheidungsrate des polymeren Materials
während des ersten Zeitraums kann der Flankenwinkel der
Ätzflanken variiert werden. Dadurch ist es möglich, durch die
Variation der Ätzbedingungen, gezielt Einfluß auf die
Abmessungen der im zweiten Zeitraum geätzen Struktur zu
nehmen.
Durch die erfindungsgemäße Prozessführung wird es
möglich, Strukturen mit sublithographischen Abmessungen in
eine dielektrische Schicht zu ätzen. Auf zusätzliche
Prozessschritte, durch die die Maske nachträglich modifiziert
wird, kann verzichtet werden. Insbesondere ist es nicht
nötig, eine Photoresistschicht nach der Entwicklung und vor
der Öffnung der Antireflektionsschicht durch eine zusätliche
Reaktion, z. B. eine Silylierungsreaktion, zu modifizieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist an keine besondere
Plasmaätzmethode gebunden. Eine besonders vorteilhafte
Plasmaätztechnik ist reaktives Ionenätzen (RIE). Das
erfindungsgemäße Verfahren kann dabei in Standard-MDP-
(medium density-plasma) bzw. HDP(high-density-plasma)-
Ätzanlagen durchgeführt werden.
Das Plasmaätzen, vorzugsweise das reaktive Ionenätzen,
kann dabei in einem oder in beiden Ätzschritten magnetisch
unterstützt (MERIE) werden. Darüber hinaus können aber auch
andere chemisch-physikalische Trockenätztechniken zum Einsatz
kommen. Diese Techniken sind dem Fachmann ebenfalls bekannt
und können z. B. anodisch gekoppeltes Plasmaätzen im
Parallelplattenreaktor oder Trioden reaktives Ionenätzen
(TRIE) sein.
In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens umfaßt das erste Ätzgas zumindest eine
Fluorkohlenstoff- oder Fluorkohlenwasserstoffverbindung der
allgemeinen Formel CxHyFz, wobei x eine ganze Zahl von 1 bis
5, y eine ganze Zahl von 0 bis 11 und z eine ganze Zahl von 1
bis 12 ist. Besonders bevorzugt ist es, dass das erste Ätzgas
CHF3 umfaßt Mit diesem Ätzgas kann eine besonders günstige
Polymerabscheidung erreicht werden. Andere geeignete
Fluorkohlenstoff- oder Fluorkohlenwasserstoffverbindung sind
z. B. C2F4, C2F6, C3HF5, C3F6, C4F8 oder C5F8.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt das erste Ätzgas
molekularen Stickstoff. Durch die Beimengung von N2 zu dem
Ätzgas kann die Polymerbildung beeinflusst und weiter
gesteigert werden. Die Verwendung von N2 in einem ersten
Ätzgas, das CHF3 umfaßt, ist besonders bevorzugt.
In einer weiteren bevorzugten Variante der vorliegenden
Erfindung umfaßt das zweite Ätzgas zumindest eine
Fluorkohlenstoff- oder Fluorkohlenwasserstoffverbindung der
allgemeinen Formel CxHyFz, wobei x eine ganze Zahl von 1 bis
5, y eine ganze Zahl von 0 bis 11 und z eine ganze Zahl von 1
bis 12 ist.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines zweiten
Ätzgases, das neben CF4 auch CHF3 umfaßt. Die Kombination
dieser beiden Komponenten in dem zweiten Ätzgas ist besonders
geeignet, um eine in diesem Schritt unerwünschte
Polymerabscheidung in den zu ätzenden Bereichen möglichst zu
verringern.
In einer weiteren vorteilhaften Variante des
erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt erste Ätzgas und/oder das
zweite Ätzgas ein Edelgas, vorzugsweise Ar. Das Edelgas wirkt
in dem Äztgas als eine Sputter-Komponente und bewirkt einen
Energieeintrag in das zu ätzende Material. Weiterhin dient
das Edelgas als Verdünnungsgas, wodurch die
Polymerabscheidung während der Ätzschritte ebenfalls
beeinflußt werden kann.
Die Mengenverhältnisse der jeweiligen Gaskomponenten
zueinander werden durch die jeweils einzustellenden Gasflüsse
gesteuert. Sie sind an die weiteren während des jeweiligen
Ätzschritts herrschenden Prozessbedingungen anzupassen.
Vorzugsweise wird während des ersten Zeitraums eine Edelgas-
Gasflussrate, insbesondere eine Argon-Gasflussrate, von 70
bis 120 sccm, eine Fluorkohlenstoff- bzw.
Fluorkohlenwasserstoff-Gasflussrate, insbesondere CHF3-
Gasflussrate, von bis 70 und 100 sccm und - falls verwendet -
eine Stickstoff-Gasflussrate von 10 bis 40 sccm eingestellt.
Während des zweiten Zeitraums wird vorzugsweise eine
Edelgas-Gasflussrate, insbesondere eine Argon-Gasflussrate,
von 100 bis 200 sccm und eine Fluorkohlenstoff- bzw.
Fluorkohlenwasserstoff-Gasflussrate von 20 bis 50 sccm für
jede dieser Spezies, insbesondere CF4 und CHF3, eingestellt.
Die während des ersten Zeitraums in den Plasmareaktor
eingespeiste Leistung beträgt vorzugsweise zwischen 350 und
600 W, die Spannungsfrequenz vorzugsweise 13,56 Mhz oder
27,12 Mhz. Der Druck in dem Plasmareaktor wird während des
ersten Zeitraums vorzugsweise zwischen 200 und 300 mTorr
eingestellt. Wird das Ätzen während des ersten Zeitraums
magnetisch unterstützt, werden vorzugsweise magnetische
Flußdichten zwischen 40 bis 60 Gauss eingestellt.
Während des zweiten Zeitraums beträgt die den
Plasmareaktor eingespeiste Leistung vorzugsweise zwischen 600
und 1000 W, die Spannungsfrequenz vorzugsweise 13,56 Mhz oder
27,12 Mhz. Der Druck in dem Plasmareaktor wird während des zweiten Zeitraums vorzugsweise zwischen 100 und 200 mTorr
eingestellt. Wird das Ätzen während des zweiten Zeitraums
magnetisch unterstützt, werden vorzugsweise magnetische
Flußdichten zwischen 0 bis 20 Gauss eingestellt.
In einer weiteren vorteilhaften Variante des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist die dielektrische Schicht
(30) eine Siliziumoxidschicht. Alternativ kann die
dielektrische Schicht aus jedem anderen in der
Halbleitertechnik eingesetzen Material bestehen. Besonders
bevorzugt sind weiterhin dielektrische Schichten aus
Siliziumnitrid oder Kohlenstoff-dotiertem Siliziumoxid.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Maske in einem dem
zweiten Zeitraum nachgelagerten Schritt von der
dielektrischen Schicht entfernt. Dadurch wird die durch die
Ätzungen in der dielektrischen Schicht erzeugte Struktur
freigelegt, und die Oberfläche der strukturierten
dielektrischen Schicht kann für weitere
Strukturierungsschritte vorbereitet werden.
Die vorliegende Erfindung umfaßt weiterhin ein Verfahren
zur Strukturierung einer elektrisch leitfähigen Schicht, mit
den folgenden Schritten: Ein Substrat umfassend eine gemäß
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Strukturierung einer
dielektrischen Schicht strukturierte dielektrische Schicht
(30) wird bereitgestellt. Eine Schicht aus einem elektrisch
leitfähigen Material (50) wird auf der dielektrischen Schicht
(30) abgeschieden. Anschließend wird die Schicht des
elektrisch leitenden Materials (50) und die dielektrische
Schicht (30) durch chemisch-mechanisches Polieren zumindest
bis zu der ersten Tiefe (46) des Ätzabtrags in dem ersten
Zeitraum entfernt.
Für dieses erfindungsgemäße Verfahren kann jedes
elektrisch leitende, Material, das zur Verwendung in
Halbleiterbauelementen geeignet ist und durch chemisch-
mechanisches Polieren strukturiert werden kann, abgeschieden
werden. Besonders bevorzugt ist die Abscheidung von
Materialien, die als Leiterbahnen in den
Metallisierungsebenen von Halbleiterbauelementen verwendet
werden, insbesondere Kupfer, Aluminium, Molybdän oder
Wolfram.
Das elektrisch leitfähige Material kann dabei durch
jedes geeignete Abscheidungsverfahren, insbesondere
chemischen Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD),
Sputterverfahren oder Elektroplattierung erfolgen. Solche
Methoden sind dem Fachmann bekannt.
Als chemisch-mechanisches Polierverfahren kann jedes für das
jeweilig abzutragende Material geeignete chemisch-mechanische
Polierverfahren eingesetzt werden. Solche Verfahren sind dem
Fachmann bekannt.
Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren wird in der
dielektrischen Schicht eine Struktur aus einem elektrisch
leitenden Material erzeugt, die kleinere kritische
Dimensionen aufweist, als ursprünglich durch die
Lithographiemaske, bzw. die Maske vorgegeben war.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines
schematischen Ausführungsbeispiels und anhand von Figuren
näher dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1a bis 1d ein herkömmliches Verfahren zur
Strukturierung von Leiterbahnen in einer dielektrischen
Schicht,
Fig. 2a bis 2e die Strukturierung von Leiterbahnen
unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In dem in den Fig. 2a bis 2e dargestellten Verfahren
werden mittels der Damascene-Technik Wolframleiterbahnen (52)
in einer isolierenden Siliziumoxidschicht (30) strukturiert.
Dabei wird, wie in dem bereits oben erläuterten und in den
Fig. 1a bis 1d dargestellten, herkömmlichen Verfahren, von
einer isolierenden Siliziumoxidschicht (30) ausgegangen, auf
die strukturierte Lackmaske (32) aufgebracht wurde (Fig. 2a).
Die Lackmaske besteht aus einer Antireflektionschicht (36)
und einer über der Antireflektionsschicht liegenden
Photoresistschicht (34). Die Photoresistschicht (34) wurde
durch ein herkömmliches lithographisches Verfahren geöffnet.
Anschließend wurde die darunterliegende
Antireflektionsschicht (36) durch eine entsprechende Ätzung
(z. B. N2/O2-RIE) strukturiert, wobei die Photoresistmaske
(34) als Maske dient. Die Lackmaske (32) weist
Horizontalbereiche (38) und Flankenbereiche (40) auf, durch
welche die darunterliegende dielektrische Schicht abgedeckt
und geschützt wird. Die dielektrische Schicht wird
anschließend für einen ersten Zeitraum durch ein Plasma, das
aus einem ersten Ätzgas erzeugt wird, geätzt. Durch die
Ätzung erfährt die dielektrische Schicht einen Ätzabtrag, und
es entsteht ein Graben, der einen Boden (44) bei einer ersten
Tiefe (46) sowie Ätzflanken aufweist, die, verglichen zu den
ursprünglichen Flankenbereichen (40) der Lackmaske (32),
einen flacheren Winkel relativ zu der geschützten Oberfläche
der Siliziumoxidschicht (30) bilden. Durch die
Polymerabscheidung auf den Ätzflanken (42) und den
Flankenbereichen der Lackmaske (40) wird die durch die
ursprüngliche Lackmaske (32) vorgegebene Struktur verengt.
Der Grad der Verengung kann durch die Dauer des ersten
Zeitraums und die während des ersten Zeitraums eingestellte
Polymerabscheidungsrate beeinflußt werden.
Anschließend wird die Siliziumoxidschicht (30) für einen
zweiten Zeitraum einer zweiten Ätzung unterworfen. Dazu wird
die Siliziumoxidschicht (30) einem Plasma, das aus einem
zweiten Ätzgas erzeugt wird, ausgesetzt. Die Ätzbedingungen
sind in diesem zweiten Ätzschritt so eingestellt, dass es
zumindest innerhalb des geätzten Grabens zu keiner
wesentlichen Polymerabscheidung kommt. Das während des ersten
Zeitraums abgeschiedene polymere Material schützt die
Siliziumoxidschicht (30) vor einem Ätzabtrag. Somit wird
während des zweiten Zeitraums der Graben mit einer
verminderten Breite bis zu einer zweiten Tiefe (48) in die
Siliziumoxidschicht (30) geätzt (Fig. 2c). Da es bei dieser
Ätzung zu keiner wesentlichen Polymerabscheidung in dem
Grabenbereich kommt, sind die Flanken des Grabens in dem
Bereich, der während des zweiten Zeitraums geätzt wird,
wieder wesentlich steiler. Nachdem der Graben bis zu der
vorgesehenen Tiefe (48) geätzt wurde, werden die Reste der
Lackmaske (32) von der Siliziumoxidschicht (30) entfernt.
Dies kann z. B. durch Veraschen der Lackmaske in einem O2-
Plasma erfolgen.
Anschließend wird auf der strukturierten
Siliziumoxidschicht (30), gegebenenenfalls nach einigen
Zwischenschritten, wie z. B. der Reinigung der Oberfläche oder
dem Aufbringen eines Liners aus Ti/TiN oder Ta/TaN, eine
Wolframschicht (50) durch ein herkömmliches CVD-Verfahren
abgeschieden. Dabei wird mindestens soviel Wolfram
abgeschieden, dass die geätzten Leitergräben (52) vollständig
aufgefüllt werden (Fig. 2d). Anschließend wird die
Wolframschicht (50) und der obere Bereich der
Siliziumoxidschicht (30) bis zu der ersten Tiefe (46) durch
ein geeignetes chemisch-mechanisches Polierverfahren
abgetragen. Ein solches CMP-Verfahren kann z. B. ein
zweistufiges Verfahren sein. Die erste Stufe dient dabei im
wesentlichen der Wolframabtragung. Dabei wird das über den
Leitergräben liegende Wolframmetall sowie ein geringer Teil
der Siliziumoxidschicht (30) abgetragen. Der zweite Schritt
des CMP-Verfahrens ist hingegen im wesentlichen auf eine
Abtragung des Siliziumoxids ausgelegt. Durch diesen
sogenannten "oxide touch up"-Schritt werden die
Siliziumoxidschicht (30) und die Leitergräben bis zu der
während des ersten Zeitraums geätzten Tiefe (46) entfernt.
Die verbleibenden Leitergräben (52) weisen dann im
wesentlichen einheitliche, steile Flankenwinkel auf (Fig.
2e).
Die Breite der so geschaffenen Leitergräben ist geringer
als die ursprünglich durch die Lithographiemaske oder die
Lackmaske (32) vorgegebenen Breite. Durch das Verfahren wird
es somit möglich, gezielt Strukturen mit sublithographischen
Dimensionen zu erzeugen. Dadurch wird eine deutliche
Reduktion der Linienbreite der Leiterbahnen in den
entsprechenden Metallisierungsebenen eines
Halbleiterbauelements ermöglicht, was wiederum zu einer
vorteilhaften Reduktion der Koppelkapazitäten der
Leiterbahnen untereinander führt.
Zum Strukturieren der Siliziumoxidschicht wurde eine
Ätzkammer der Firma Applied Materials, Typ MxP+ oxide etch
chamber (MERIES medium density plasma) verwendet.
Während des ersten Ätzschritts werden Parameter aus folgenden
Bereichen gewählt:
HF-Leistung: 350 bis 600 W
Frequenz: 13,56 Mhz; 27,12 Mhz
Druck: 200 bis 300 mTorr
Magnetfeld: 40 bis 60 Gauss
Ar-Gasflussrate: 70 bis 120 sccm
CHF3-Gasflußrate: 70 bis 100 sccm
N2-Gasflussrate: 10 bis 40 sccm
HF-Leistung: 350 bis 600 W
Frequenz: 13,56 Mhz; 27,12 Mhz
Druck: 200 bis 300 mTorr
Magnetfeld: 40 bis 60 Gauss
Ar-Gasflussrate: 70 bis 120 sccm
CHF3-Gasflußrate: 70 bis 100 sccm
N2-Gasflussrate: 10 bis 40 sccm
Während des zweiten Ätzschritts werden Parameter aus
folgenden Bereichen gewählt:
HF-Leistung: 600 bis 1000 W
Frequenz: 13,56 Mhz; 27,12 Mhz
Druck: 100 bis 200 mTorr
Magnetfeld: 0 bis 20 Gauss
Ar-Gasflussrate: 100 bis 200 sccm
CHF3-Gasflußrate: 20 bis 50 sccm
CF4-Gasflussrate: 20 bis 50 sccm
HF-Leistung: 600 bis 1000 W
Frequenz: 13,56 Mhz; 27,12 Mhz
Druck: 100 bis 200 mTorr
Magnetfeld: 0 bis 20 Gauss
Ar-Gasflussrate: 100 bis 200 sccm
CHF3-Gasflußrate: 20 bis 50 sccm
CF4-Gasflussrate: 20 bis 50 sccm
Claims (13)
1. Verfahren zum Strukturieren einer dielektrischen Schicht
umfassend die folgenden Schritte:
- a) ein Substrat umfassend eine dielektrische Schicht (30) und eine auf der dielektrischen Schicht aufgebrachte, die dielektrische Schicht in Teilbereichen abdeckende, Horizontalbereiche (38) und Flankenbereiche (40) umfassende Maske (32) wird bereitgestellt,
- b) die dielektrische Schicht (30) wird während eines ersten Zeitraums in ihren von der Maske (32) nicht abgedeckten Bereichen durch ein Plasma, das aus einem ersten Ätzgas erzeugt wird, bis zu einer ersten Tiefe (46) geätzt, wobei sich in den geätzen Bereichen der dielektrischen Schicht Ätzflanken (42) ausbilden und wobei das Ätzgas und das Plasma so gewählt sind, dass sich ein polymeres Material zumindest auf den Flankenbereichen (40) der Maske (32) und auf den Ätzflanken (42) der dielektrischen Schicht (30) abscheidet, und
- c) die dielektrische Schicht (30) wird während eines zweiten Zeitraums, in den Bereichen, die nicht von der Maske und dem während des ersten Zeitraums abgeschiedenen polymeren Material abgedeckt sind, durch ein Plasma, das aus einem zweiten Ätzgas erzeugt wird, bis zu einer zweiten Tiefe (48) geätzt, wobei das Ätzgas und das Plasma so gewählt sind, dass die Ätzung im wesentlichen ohne eine Abscheidung von polymeren Material auf der dielektrischen Schicht (30) oder dem während des ersten Zeitraums abgeschiedenen polymeren Material erfolgt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die
dielektrische Schicht (30) aus einem Material ausgesucht
aus der Gruppe umfassend Siliziumoxid, Siliziumnitrid und
Kohlenstoff-dotiertes Siliziumoxid gebildet ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das
erste Ätzgas zumindest eine Fluorkohlenstoff- oder
Fluorkohlenwasserstoffverbindung der allgemeinen Formel
CxHyFz umfaßt, wobei x eine ganze Zahl von 1 bis 5, y eine
ganze Zahl von 0 bis 11 und z eine ganze Zahl von 1 bis 12
ist.
4. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das
erste Ätzgas CHF3 umfaßt.
5. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das
zweite Ätzgas zumindest eine Fluorkohlenstoff- oder
Fluorkohlenwasserstoffverbindung der allgemeinen Formel
CxHyFz umfaßt, wobei x eine ganze Zahl von 1 bis 5, y eine
ganze Zahl von 0 bis 11 und z eine ganze Zahl von 1 bis 12
ist.
6. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das
zweite Ätzgas CF4 und CHF3 umfaßt.
7. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das
erste Ätzgas molekularen Stickstoff umfaßt.
8. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das
erste Ätzgas und/oder das zweite Ätzgas ein Edelgas,
vorzugsweise Ar, umfaßt.
9. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- a) die Maske (32) in einem dem zweiten Zeitraum nachgelagerten Schritt von der dielektrischen Schicht (30) entfernt wird.
10. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die
Maske eine Lackmaske ist.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die
Lackmaske zumindest zweilagig ist.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die
Lackmaske eine Antireflektionschicht umfaßt.
13. Verfahren zur Strukturierung einer elektrisch leitfähigen
Schicht, umfassend die Schritte:
- a) ein Substrat umfassend eine gemäß einem der Ansprüchen 1 bis 12 strukturierte dielektrische Schicht (30) wird bereitgestellt,
- b) eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material (50) wird auf der dielektrischen Schicht (30) abgeschieden, und
- c) die Schicht des elektrisch leitenden Materials (50) und die dielektrische Schicht (30) wird durch chemisch- mechanisches Polieren zumindest bis zu der ersten Tiefe (46) des Ätzabtrags in dem ersten Zeitraum entfernt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2000159836 DE10059836A1 (de) | 2000-12-01 | 2000-12-01 | Verfahren zur Strukturierung dielektrischer Schichten |
Applications Claiming Priority (1)
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DE2000159836 DE10059836A1 (de) | 2000-12-01 | 2000-12-01 | Verfahren zur Strukturierung dielektrischer Schichten |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE10059836A1 true DE10059836A1 (de) | 2002-06-13 |
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ID=7665488
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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