DE102004022402A1 - Dry etching of layer sequence, for anisotropic etching of aluminum-containing substrates, by etching fourth layer in plasma comprising halogen-containing gas, and third layer in plasma comprising halogen- and nitrogen-containing gases - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum anisotropen Ätzen von aluminiumhaltigen Substraten.The The present invention relates to a method of anisotropic etching of aluminum-containing substrates.
Obwohl prinzipiell auf beliebige Strukturen anwendbar, wird die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik nachfolgend in Bezug auf die Fertigung von metallischen Leiterbahnen in DRAM-Speicherbausteinen erläutert.Even though in principle applicable to any structures, the present Invention and the underlying problem below with regard to the production of metal interconnects in DRAM memory modules explained.
Es besteht der Bedarf, in Speicherbausteinen möglichst große Datenmengen in möglichst kurzer Zeit abzuspeichern. Ein Speicherbaustein besteht aus einer Vielzahl an Speicherzellen. Jede der Speicherzellen ist über interne Leiterbahnen des Speicherbausteins mit den externen Kontakten des Speicherbausteins verbindbar. Über diese Leiterbahnen werden Daten transportiert, welche in dem Speicherbaustein abgelegt werden sollen. Die abzuspeichernden Daten liegen als elektrische Signale an den externen Kontakten an. Die Transportgeschwindigkeit der Daten hängt somit von der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektrischer Signale in den Leiterbahnen ab. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektrischer Signale ist in metallischen Leitern am höchsten. Daher besteht ein Interesse, die Leiterbahnen innerhalb eines Speicherbausteins aus Metall anzufertigen.It There is a need in memory modules as large amounts of data as possible save a short time. A memory module consists of a Variety of memory cells. Each of the memory cells is over internal Tracks of the memory module with the external contacts of the memory module connectable. about These tracks are transported data, which in the memory chip should be stored. The data to be stored are electrical Signals on the external contacts. The transport speed the data depends thus of the propagation speed of electrical signals in the tracks. The propagation velocity electrical Signals are highest in metallic conductors. Therefore, there is an interest to make the tracks within a memory block made of metal.
Ein bevorzugtes Metall für Leitungen in Speicherbausteinen ist Aluminium. Der Grund dafür ist, dass sich Aluminium verhältnismäßig einfach prozessieren lässt.One preferred metal for Lines in memory modules is aluminum. the reason for that is Aluminum is relatively simple let process.
Reines Aluminium neigt zur Elektromigration. Das bedeutet, dass während ein Strom fließt Aluminiumatome transportiert werden. Die transportierten Aluminiumatome lagern sich dann unter anderem in durch die mit Leiterbahnen kontaktierten Bereiche von Halbleitersubstraten ab. Dies führt unter anderem zu unerwünschten Leiterbrücken. Dies ist eine Ursache für Alterungsdefekte von Bauelementen. Durch Beimischen von Silizium oder Kupfer zu Aluminium wird die Elektromigration des Aluminiums verringert.pure Aluminum tends to electromigration. That means that while a Electricity flows Aluminum atoms are transported. The transported aluminum atoms Among other things, they are then deposited in the areas of printed circuit boards contacted by Semiconductor substrates from. this leads to among other undesirable ones Conductor bridges. This is a cause for Aging defects of components. By adding silicon or copper to aluminum becomes the electromigration of aluminum reduced.
Während Wärmebehandlungsschritten der Halbleiterherstellungsverfahren diffundiert Aluminium in angrenzende Halbleiterschichten. Dies führt zu unerwünschten galvanischen Verbindungen. Die Diffusion wird durch eine dünne Barriereschicht aus Titan und/oder einer Titan-Wolfram-Legierung zwischen der Halbleiterschicht und der Aluminiumschicht unterbunden.During heat treatment steps The semiconductor manufacturing process diffuses aluminum into adjacent ones Semiconductor layers. this leads to too unwanted galvanic connections. The diffusion is through a thin barrier layer of titanium and / or a titanium-tungsten alloy between the semiconductor layer and the aluminum layer prevented.
Um das Aluminium zu strukturieren, wird eine Maske erzeugt. Ein Schritt zur Erzeugung der Maske ist einen Photolack zu belichten, der auf eine Oberfläche des Aluminiums aufgebracht ist. Dabei wird ein Muster einer Maskenvorlage auf den Photolack übertragen. Die Oberfläche von epitaktisch abgeschiedenem Aluminiums ist sehr stark reflektierend. Bei der Belichtung interferieren die reflektieren Lichtstrahlen mit den einfallenden Lichtstrahlen. Dabei bildet sich ein Interferenzmuster aus, welches unter anderem von der Oberflächenbeschaffenheit des Aluminiums, der Dicke der Photolackschicht und der Maskenvorlage abhängt. Das Interferenzmuster verändert unerwünschterweise das Muster, welches auf den Photolack übertragen wird. Daher ist die Entstehung von Interferenzmustern zu vermeiden. Dazu wird auf die Oberfläche des Aluminiums eine Antireflexschicht aus Titannitrid abgeschieden.Around To structure the aluminum, a mask is created. A step to generate the mask is to expose a photoresist on a surface of the aluminum is applied. This will be a pattern of a mask template transferred to the photoresist. The surface of epitaxially deposited aluminum is very highly reflective. During exposure, the reflected light rays interfere with the incident light rays. This forms an interference pattern which, inter alia, depends on the surface condition of the aluminum, the thickness of the photoresist layer and the mask template depends. The Interference pattern changed undesirably the pattern which is transferred to the photoresist. Therefore, the Avoid generation of interference patterns. This is on the surface of the aluminum deposited an antireflection layer of titanium nitride.
Eine
typische Schichtfolge zum Strukturieren von Aluminium und zum Erstellen
von metallischen Leitungen ist in
Ein
beispielhaftes Verfahren ätzt
die drei Schichten einstufig mit einem Plasma P2 in einer Reaktionskammer.
Das Plasma P2 setzt sich typischerweise aus den Gasen Cl2, BCl3 und N2 zusammen. Dabei werden die Volumenanteile
der Gase während des Ätzvorgangs
konstant gehalten. Das Reaktionsprodukt AlCl3 aus
Aluminium und den chlorhaltigen Gasen ist gasförmig und wird aus der Reaktionskammer
abgepumpt. Der Zusatz an N2 führt zur
Bildung von Polymerablagerungen S6 an den Grabenwänden
Ein Nachteil des erwähnten Verfahrens ist, dass sich während dem Ätzen der dünnen titanhaltigen Schichten S2, S4 verstärkt Polymer-Ablagerung S6 in den geätzten Gräben bilden. Die Polymerablagerungen S6 müssen für nachfolgende Prozessierungsschritte der Speicherbausteine entfernt werden.A disadvantage of the mentioned method is that during the etching of the thin titanhalti layers S2, S4 reinforced to form polymer deposit S6 in the etched trenches. The polymer deposits S6 must be removed for subsequent processing steps of the memory modules.
Jedoch
lassen sich diese starken Polymerablagerungen S6 nur schwer entfernen.
Des weiteren schälen
sich während
des Ätzens
die starken Polymerablagerung S6 teilweise von den Grabenwänden
Die Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin ein verbessertes Verfahren zum anisotropen Ätzen von aluminiumhaltigen Schichten zu schaffen, wobei die Bildung übermäßig starker Polymerablagerungen beim Ätzen der titanhaltigen Schichten verhindert werden soll.The Object of the method according to the invention This is an improved method for anisotropic etching of to create aluminum-containing layers, the formation being excessively strong Polymer deposits during etching the titanium-containing layers should be prevented.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.According to the invention this Problem solved by the method specified in claim 1.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die Defektrate bei Bauelementen mit metallischen Leiterbahnen reduzieren.With the method according to the invention let yourself reduce the defect rate for components with metallic interconnects.
Das erfindungsgemäße Verfahren ätzt die Schichtenfolge nicht mit einem Ätzschritt mit einem Plasma, mit vorwiegend konstanter Zusammensetzung der Gase, sondern in drei Ätzschritten mit dazu korrespondierenden Plasmen, welche unterschiedliche Zusammensetzungen der Gase aufweisen. Die aluminiumhaltige Schicht wird nach dem allgemein bekannten Verfahren mit chlorhaltigem und stickstoffhaltigem Gas geätzt. Dabei wird durch den Anteil des stickstoffhaltigen Gases eine Passivierung der Grabenwände durch Polymerablagerungen erreicht, welche für ein anisotropes Ätzen der aluminiumhaltigen Schicht notwendig sind. Die titanhaltigen Schichten werden ohne stickstoffhaltiges Gas geätzt. Damit wird die Erzeugung von Polymerablagerung während des Ätzens der titanhaltigen Schichten vorteilhafterweise verringert.The The method according to the invention etches the layer sequence not with an etching step with a plasma, with a predominantly constant composition of Gases, but in three etching steps with corresponding plasmas, which have different compositions have the gases. The aluminum-containing layer is according to the well-known Process etched with chlorine-containing and nitrogen-containing gas. there becomes by the proportion of the nitrogen-containing gas passivation the trench walls achieved by polymer deposits, which for anisotropic etching of aluminum-containing layer are necessary. The titanium-containing layers become Etched without nitrogen-containing gas. This will produce polymer deposition during the etching of the titanium-containing layers advantageously reduced.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des in Anspruch 1 angegebenen Verfahrens.In the dependent claims find advantageous developments and refinements of specified in claim 1 method.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung werden die drei Ätzschritte in einer Reaktionskammer durchgeführt, wobei die Gasmenge stickstoffhaltiger Gase in der Reaktionskammer derart kontrolliert und eingestellt wird, dass für die Ätzschritte für die titanhaltigen Schichten die Gasmenge stickstoffhaltiger Gase in der Reaktionskammer reduziert wird und für den Ätzschritt die Gasmenge stickstoffhaltiger Gase in der Reaktionskammer erhöht wird.According to one preferred development, the three etching steps in a reaction chamber carried out, the gas quantity of nitrogen-containing gases in the reaction chamber is controlled and adjusted so that for the etching steps for the titanium-containing Layers the gas amount of nitrogen-containing gases in the reaction chamber is reduced and for the etching step the gas quantity of nitrogen-containing gases in the reaction chamber is increased.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird die Gasmenge an stickstoffhaltigem Gas für die Ätzschritte der titanhaltigen Schichten auf Null reduziert.According to one preferred development is the amount of nitrogen-containing gas Gas for the etching steps reduces the titanium-containing layers to zero.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung enthält das stickstoffhaltige Gas vorwiegend N2.According to a preferred development, the nitrogen-containing gas contains predominantly N 2 .
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung enthält das halogenhaltige Gas vorwiegend ein Gasgemisch aus BCl3 und Cl2.According to a preferred development, the halogen-containing gas contains predominantly a gas mixture of BCl 3 and Cl 2 .
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird eine jeweilige Dauer des Ätzens korrespondierenden zu mindestens einem der Ätzschritte vorgegeben, wobei die jeweilige Dauer festlegt, wie lange die Schichtenfolge mit dem Plasma des korrespondierenden Ätzschrittes geätzt wird.According to one preferred embodiment, a respective duration of the etching is corresponding to at least one of the etching steps given, with the respective duration determines how long the sequence of layers is etched with the plasma of the corresponding etching step.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird jeweils ein Endpunkt korrespondierend zu mindestens einem der Ätzschritte durch eine Endpunktkontrolle signalisiert, wobei der jeweilige Endpunkt festlegt, wann das Ätzen der Schichtenfolge mit dem Plasma des jeweiligen Ätzschrittes beendet wird.According to one preferred development is in each case an endpoint corresponding to at least one of the etching steps signaled by an endpoint check, with the respective endpoint when the etching the layer sequence with the plasma of the respective etching step is ended.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung signalisiert die Endpunktkontrolle den Endpunkt für einen jeweiligen Schritt der Schritte, wenn ein oder mehrere Ätzprodukte des Plasmas des jeweiligen Schrittes mit einem oder mehreren Materialien der freigeätzten Schicht unterhalb der zu ätzenden Schicht des jeweiligen Schrittes nachgewiesen werden, wobei die unterhalb der zu ätzenden Schicht des jeweiligen Schrittes, die Schicht ist, auf welcher die zu ätzende Schicht des jeweiligen Schrittes unmittelbar aufgebracht wurde.According to one preferred development signals the endpoint control the Endpoint for a respective step of the steps when one or more etch products the plasma of the respective step with one or more materials the etched Layer below the layer to be etched be detected by the respective step, the below the too corrosive Layer of the respective step, which is layer on which the layer to be etched of the respective step was applied directly.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung enthält das aluminiumhaltige Material vorwiegend Aluminium, welchem zur vorteilhaften Verringerung der Elektromigration Kupfer und/oder Silizium beigemischt ist.According to one contains preferred training the aluminum-containing material predominantly aluminum, which to advantageous reduction of electromigration copper and / or Silicon is mixed.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung setzen sich die vierte Schicht und/oder die zweite Schicht aus mehreren Teil-Schichten zusammen. Die Teil-Schichten enthalten vorwiegend Titan und/oder titanhaltige Materialien. Ein typisches titanhaltiges Material ist Titannitrid.According to one preferred training put the fourth shift and / or the second layer is composed of several sub-layers. The part layers contain predominantly titanium and / or titanium-containing materials. One typical titanium-containing material is titanium nitride.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung enthält mindestens eines der verwendeten Plasmen ein methanhaltiges Gas. Das methanhaltige Gas stellt typischerweise Kohlenwasserstoffmonomere zur Bildung der Polymerschicht zur Verfügung, welche zur Passivierung der Grabenwände benötigt wird.According to a preferred development, at least one of the plasmas used contains a methane-containing gas. The methane-containing gas typically provides hydrocarbon monomers to form the polymer layer needed to passivate the trench walls.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung enthält mindestens eines der verwendeten Plasmen ein edelgashaltiges Gas. Edelgashaltige Gase dienen typischerweise dem physikalischen Abtragen der Polymerablagerungen im Bereich des Grabenbodens und ermöglichen vorteilhafterweise eine Erhöhung des anisotropen Charakters des Ätzverfahrens.According to one contains preferred training at least one of the plasmas used a noble gas-containing gas. Noble gas-containing gases are typically used for physical removal the polymer deposits in the trench bottom and allow advantageously an increase the anisotropic nature of the etching process.
Ausführungsformen der Erfindung sind unter Verwendung der Zeichnungen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments of the invention are described using the drawings in the following description explained in more detail.
Es zeigen:It demonstrate:
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.In the same reference numerals designate the same or functionally identical Ingredients.
Die Barriereschicht S2 verhindert, dass während Wärmebehandlungsschritten der Halbleitertechnologie Aluminium aus der Schicht S3 in das Substrat S1 diffundiert. Eine Maske S5 ist auf die Schichtenfolge aufgebracht. Die Maske S5 besteht aus belichtetem Photolack. Zwischen der Maske S5 und der aluminiumhaltigen Schicht S3 befindet sich eine Antireflexschicht S4. Die Antireflexschicht S4 besteht aus einer dünnen Lage Titan und Titannitrid. Die Antireflexschicht S4 verhindert, dass sich beim Belichten des Photolacks Interferenzen ausbilden. Die sonst entstehenden Interferenzmuster würden die Belichtung des Photolacks mit beeinflussen und damit würde eine Maske S5 erzeugt, die nicht einer gewünschten Maskenvorlage entspricht.The Barrier layer S2 prevents during heat treatment steps the Semiconductor technology Aluminum from the layer S3 into the substrate S1 diffused. A mask S5 is applied to the layer sequence. The mask S5 consists of exposed photoresist. Between the mask S5 and the aluminum-containing layer S3 is an antireflection layer S4. The antireflection layer S4 consists of a thin layer of titanium and titanium nitride. The antireflection layer S4 prevents the exposure of the Photoresists form interferences. The otherwise resulting interference pattern would the exposure of the photoresist influence and thus would a Mask S5 is generated which does not correspond to a desired template.
Eine weitere Ausführungsform beendet das Ätzen mit dem Plasma P2, wenn ein Großteil der Antireflexschicht S4 geätzt ist. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn die Uniformität des Ätzprozesses über die gesamte Schichtenfolge gering ist. Beim Ätzen der aluminiumhaltigen Schicht S3 mit dem stickstoffarmen oder stickstofffreien Plasma P2 lagern sich keine passivierenden Polymer-Ablagerungen an den Grabenwänden ab. Dies würde zu einem Unterätzen führen. Hierbei mag es vorteilhafter sein, verbliebene Anteile der titanhaltigen Antireflexschicht S4 mit einem stickstoffhaltigen Plasma zu ätzen und verstärkte Polymer-Ablagerungen zu tolerieren.A another embodiment finish the etching with the plasma P2, if much of it the antireflective layer S4 etched is. This is of particular interest when the uniformity of the etching process over the entire layer sequence is low. When etching the aluminum-containing Layer S3 with the nitrogen-poor or nitrogen-free plasma P2 store no passivating polymer deposits on the grave walls from. This would to an undercurrent to lead. It may be more advantageous, remaining proportions of the titanium-containing Etch antireflective layer S4 with a nitrogen-containing plasma and increased Tolerate polymer deposits.
Der
nächste
Schritt zum Ätzen
der Aluminiumkupferlegierung ist in
Der
Stickstoffzusatz lässt
Polymer-Ablagerungen an den Grabenwänden des geätzten Grabens entstehen. Diese
Polymer-Ablagerungen
sind eine Schlüsseleigenschaft
des anisotropen Ätzprozesses
von aluminiumhaltigen Substraten. Die Polymer-Ablagerungen passivieren die Grabenwände
Die
Stärke
der Polymer-Ablagerung an den Grabenwänden
Das Schichtenfolge wird so lange mit dem Plasma P2 geätzt, bis an einer Stelle der Schichtenfolge die titanhaltige Barriereschicht S2 freigelegt ist. Dies erfolgt zeitgesteuert, indem man die Dauer des Ätzschrittes mit dem Plasma P2 geeignet festlegt. Eine andere Ausführungsform sieht eine Endpunktkontrolle vor. Bei einer Endpunktkontrolle werden Reaktionsprodukte der Ätzgase mit der Schichtenfolge mit geeigneten Verfahren analysiert. Wenn Reaktionsprodukte mit der Ätzgase mit der Barriereschicht S2 nachgewiesen werden, ist gezeigt, dass die aluminiumhaltige Schicht S3 zumindest in einem Bereich weggeätzt ist. Erfolgt der Nachweis der Ätzprodukte mit der Barriereschicht S2 wird das Ätzen mit dem Plasma P2 entweder sofort beendet oder die Schicht S3 noch für eine vorgegebene Dauer überätzt. Das Überätzen ist zum Teil notwendig, da die Uniformität des Ätzens über die gesamte Schichtenfolge begrenzt ist.The Layer sequence is etched with the plasma P2 until At one point of the layer sequence, the titanium-containing barrier layer S2 is exposed. This is timed by changing the duration the etching step with the plasma P2 determines appropriate. Another embodiment provides an endpoint control. At an endpoint check will be Reaction products of the etching gases analyzed with the layer sequence using suitable methods. If Reaction products with the etching gases be detected with the barrier layer S2, it is shown that the aluminum-containing layer S3 is etched away at least in one region. If the proof of the etched products with the barrier layer S2, the etching with the plasma P2 either terminated immediately or the layer S3 still over-etched for a predetermined duration. The over-etching is partly necessary, because the uniformity of the etching over the entire layer sequence is limited.
Der
nächste Ätzschritt
ist in
Der Vorteil die Schichtfolge S4, S3, S3 in drei statt in einem Schritt zu ätzen ist, dass während dem Ätzen der Schichten S2 und S4 keine oder nur in geringem Maße Polymerablagerungen entstehen.Of the Advantage the layer sequence S4, S3, S3 in three instead of in one step to etch is that while the etching the layers S2 and S4 no or only to a small extent polymer deposits arise.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Even though the present invention described above with reference to preferred embodiments it is not limited to that, but in many ways and modifiable.
Zusätzlich zu
den erwähnten
Gasen lassen sich zusätzlich
edelgashaltige Gase verwenden. Die edelgashaltigen Gase erhöhen das
anisotrope Ätzverhalten,
indem sie bevorzugt Polymer-Ablagerungen
im Bereich des Grabenbodens
Zusätzlich zu den erwähnten Gasen lässt sich zusätzlich oder statt der chlorhaltigen Gase ein fluorhaltiges Gas zum Ätzen der Barriereschicht S2 und/oder der Antireflexschicht S4 verwenden.In addition to the mentioned Gases can be additionally or instead of the chlorine-containing gases, a fluorine-containing gas for etching the Use barrier layer S2 and / or the antireflective layer S4.
- S1S1
- Schicht aus isolierendem Substratlayer made of insulating substrate
- S2S2
- Barriereschichtbarrier layer
- S3S3
- aluminiumhaltige Schichtaluminous layer
- S4S4
- AntireflexschichtAnti-reflective coating
- S5S5
- Maskemask
- S6S6
- Polymer-AblagerungenPolymer deposits
- 66
- oberste Flächetop area
- 77
- Grabenbodengrave soil
- 88th
- Grabenwandgrave wall
- 1010
- unterste Flächelowest area
- P1P1
- stickstoffarmes oder stickstofffreies Plasmanitrogen-poor or nitrogen-free plasma
- P2P2
- Plasma mit stickstoffhaltigem Gasplasma with nitrogenous gas
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Applications Claiming Priority (1)
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