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HINTERGRUND
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Die integrierte Halbleiterschaltkreis-Branche hat in den vergangenen Jahrzehnten ein schnelles Wachstum erlebt. Technologischer Fortschritt bei Halbleitermaterialien und -design haben zunehmend kleinere und komplexere Schaltungen hervorgebracht. Diese Fortschritte bei Material und Design wurden möglich, während auch die Technologien, die mit Verarbeitung und Herstellung in Zusammenhang stehen, technischen Fortschritt gemacht haben. In Verlauf der Halbleiterentwicklung hat sich die Anzahl von unter einander verbundenen Vorrichtungen pro Flächeneinheit erhöht, während sich die Größe der kleinsten Komponente, die zuverlässig erzeugt werden kann, verkleinert hat.
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Eine häufig verwendete Technik, die genutzt wird, um Materialschichten über Halbleiterwafern auszubilden, ist physikalische Gasphasenabscheidung (PVC; physical vapor deposition), die die Technik des Sputterns umfasst. Bei der Sputterabscheidung wird ein Plasma verwendet, um Ionen anzuregen, üblicherweise eines Edelgases, um starke Zusammenstöße mit einem Target zu erleichtern. Atome des Targets werden durch kollidierende Ionen ausgeschlagen und kondensieren dann auf der freiliegenden Oberfläche eines Halbleiterwafers, wobei ein dünne Schicht oder ein Film des Target-Materials ausgebildet wird. Einige weitere PVD-Kammern können auch in einem Ätzverfahren verwendet werden, indem Ionen, Edelgase oder Metallionen angeregt werden und Kollisionen mit der Schicht, die auf dem Halbleiterwafer geätzt werden soll, hervorgerufen werden. Während sich die Merkmalsgröße verringert hat, wird das Bereitstellen von gesputterten Materialschichten mit einer gleichmäßigen Abdeckung der Merkmale auf einem Halbleiterwafer zunehmend schwierig.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden besser durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verstanden. Es wird betont, dass in Übereinstimmung mit dem üblichen Vorgehen in der Branche verschiedene Einrichtungen nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Einrichtungen zur Klarheit der Beschreibung beliebig vergrößert oder verkleinert werden.
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1 ist eine Schnittansicht einer Abscheidungskammer für Materialschichten gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
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2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Abscheiden einer Materialschicht auf einem Halbleiterwafer gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
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Aspekte der vorliegenden Offenbarung können am besten verstanden werden, indem die beigefügten Figuren mit Bezug auf die detaillierte Beschreibung betrachtet werden, die unten angegeben ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die folgende Offenbarung sieht viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele vor, um verschiedene Einrichtungen der Erfindung zu implementieren. Spezielle Beispiele von Komponenten und Anordnungen sind unten beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und sollen nicht einschränkend wirken.
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Weiter können räumlich relative Begriffe, wie „unten”, „unter”, „unterer”, „über”, „oberer” und ähnliche, hier zur Einfachheit der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder einer Einrichtung mit einem oder mehreren anderen Elementen oder Einrichtungen zu beschreiben, wie sie in den Figuren gezeigt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen verschiedene Orientierungen der Vorrichtung, die verwendet oder betrieben wird, zusätzlich zu der in den Figuren gezeigten Orientierung umfassen. Die Vorrichtung kann anders orientiert sein (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Begriffe, die hier verwendet werden, können ebenfalls demgemäß interpretiert werden.
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Bezieht man sich jetzt auf 1, so ist ein physikalisches Gasphasenabscheidungs-System 100, das fähig ist, sowohl Abscheidungs- als auch Ätzverfahren auszuführen, in einer Schnittansicht gezeigt. Die Abscheidungskammer 100 weist ein Einschlussschild 102 auf, das eine Kammer 104 bildet, einschließlich einer oberen Kammer oder eines oberen Abschnitts 104A und einer unteren Kammer oder eines unteren Abschnitts 104B. Der obere und der untere Abschnitt 104A und 104B sind durch einen Kollimator 106 getrennt. Der Kollimator 106 ist eine Struktur, die dazu dient, gesputterte Atome oder Moleküle zu leiten, indem die verfügbaren Wege von einem Target 114 zu einem Wafer 108, der einer Verarbeitung unterzogen wird, eingeschränkt werden. Der Kollimator 106 ist oben und unten offen und umfasst mehrere Kanäle durch sich hindurch, wobei die Abmessungen und die Geometrie der Kanäle die verfügbaren Wege von Material, das durch den Kollimator geht, einschränken. In einigen Ausführungsformen können einzelne Kanäle sechseckig sein, von oben gesehen, was dem Kollimator 106 eine „Wabenstruktur” verleiht. Andere Ausführungsformen des Kollimators können andere Formen und Strukturen aufweisen.
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Der Wafer 108 wird in der unteren Kammer 104B durch eine Waferhalterung 110 gestützt und in Position gebracht. In einigen Ausführungsformen ist die Waferhalterung 110 ein elektrostatischer Chuck oder E-Chuck. Klemmen (nicht gezeigt) können über den Rändern des Wafers 108 positioniert werden, um dazu beizutragen, ihn am Ort zu halten. Die Waferhalterung 110 kann eine Temperatursteuerung und ein Instandhaltungssystem aufweisen, die darin eingebaut sind, die es ermöglichen, dass die Temperatur des Wafers 108 gesteuert wird. Die Waferhalterung 110 kann beispielsweise verwendet werden, um den Wafer 108 zu kühlen, während die Kammer 104 für und durch die Erzeugung eines Plasmas darin erwärmt wird. Das Regeln der Temperatur des Wafers 108 kann Charakteristika der abgeschiedenen Materialschicht verbessern und die Abscheidungsrate erhöhen, indem es die Kondensierung fördert.
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Gegenüber dem Wafer 108 und der Waferhalterung 110 und über der oberen Kammer 104A gibt es eine Target-Trägerstruktur 112, die ein Target 114 stützt. Die Target-Trägerstruktur 112 sichert das Target 114 während des Betriebs des Abscheidungssystems 100. Das Target 114 ist ein Materialstück, aus dem die Materialschicht auf dem Wafer 108 ausgebildet wird. Das Target 114 kann ein leitendes Material, ein isolierendes Material oder ein Vorprodukt-Material sein, das mit einem Gas reagiert, um ein Molekül auszubilden, aus dem die abgeschiedene Materialschicht hergestellt wird. Ein Metalloxid oder Metallnitrid kann beispielsweise mittels eines Metall-Targets 114 abgeschieden werden, das keinen Sauerstoff oder Stickstoff umfasst.
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Eine Anzahl von Stromversorgungen sind in dem Abscheidungssystem 100 vorgesehen, um das Plasma in der Kammer 104 zu erzeugen und zu steuern und das Sputtern und Ätzen, oder das Re-Sputtern, wenn erwünscht, zu leiten. Eine Gleichstrom-(GS)-Stromversorgung 120 ist mit der Target-Trägerstruktur 112 verbunden, um ihr Gleichstrom zuzuführen. Eine Hochfrequenz-Wechselstrom-(HF)-Stromversorgung 122 ist mit der Waferhalterung 110 verbunden. In einigen Ausführungsformen ist auch eine HF-Stromversorgung für die Target-Trägerstruktur 112 vorgesehen, zusätzlich zu der GS-Stromversorgung 120. Zusätzlich wird mindestens eine Stromversorgung für den Kollimator 106 bereitgestellt. In der gezeigten Ausführungsform sind sowohl eine Gleichstromversorgung 124 als auch eine HF-Stromversorgung 126 mit dem Kollimator 106 verbunden.
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Wie gezeigt, sind sowohl das Target 114 als auch der Kollimator 106 aus dem gleichen Material hergestellt, Kupfer. In herkömmlichen Abscheidungssystemen sind Kollimatoren, wenn vorhanden, üblicherweise aus Aluminium oder rostfreiem Stahl hergestellt. In einigen Ausführungsformen kann der Kollimator 106 aus einer inneren Kernstruktur bestehen, wobei eine Schicht aus Kupfer darauf abgeschieden ist; in anderen ist der Kollimator 106 vollständig aus Kupfer ausgebildet.
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Wie in 1 gezeigt ist, umfasst das Abscheidungssystem 100 weiter eine Anzahl von Magneten. Die Magnete können seitliche Magnete 130 und 132 umfassen. Die seitlichen Magnete 130 und 132 sind in dem Abscheidungssystem 100 außerhalb des Einschlussschildes 102 angeordnet und können Spulenmagnete sein. Zusätzlich ist ein Magnetron 134 über der Target-Trägerstruktur 112 vorgesehen. Das Magnetron 134 stellt ein magnetisches Feld der Kammer 104 bereit, insbesondere der oberen Kammer 104A, das die Steuerung und Verwendung des Plasmas erleichtern kann.
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Im Betrieb kann das Abscheidungssystem 100 für Sputter-Abscheidung und für Re-Sputtern oder Ätzen verwendet werden. Während eines Abscheidungsverfahrens kann der Kollimator 106 beispielsweise als Sputter-Target anstatt des Targets 114 verwendet werden. Um dies zu erreichen, kann die Gleichstromversorgung 120 abgeschaltet werden, so dass dem Target 114 kein Strom zugeführt wird. Eine HF-Vorspannung wird an die Waferhalterung 110 angelegt. Diese HF-Vorspannung kann kleiner als etwa 500 W sein. HF-Strom und Gleichstrom wird dem Kollimator 106 durch die HF-Stromversorgung 126 und die Gleichstromversorgung 124 zugeführt. In einigen Fällen wird nur der HF-Strom dem Kollimator 106 zugeführt. Somit kann die Gleichstromversorgung 124 von 0 bis 10 kW zuführen. Die HF-Leistung, die dem Kollimator zugeführt wird, beträgt etwa 1 kW oder mehr.
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Die Leistung, die der Gleichstromversorgung und der HF-Stromversorgung bereitgestellt wird, wird durch ein Steuersystem 140 gesteuert, das einen oder mehrere Prozessoren in Verbindung mit Speicher umfasst. Der Speicher kann Verfahrensabläufe umfassen, die vorher programmiert wurden, um in der Vorrichtungsherstellung verwendet zu werden. Der Speicher kann Befehle enthalten, die die Abläufe beschreiben und implementieren. Die Prozessoren sind kommunikativ mit den Stromversorgungen und mit mehreren Sensoren in dem Abscheidungssystem 100 verbunden. Die Sensoren können Temperatursensoren, Drucksensoren, Positionssensoren, Feldsensoren und andere umfassen.
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Während des Sputter-Verfahrens wird der Druck in der Kammer 104 auf einem niedrigen Pegel gehalten. Der Druck kann beispielsweise im Bereich von etwa 10 bis etwa 150 mTorr liegen. Ein Gas- und Drucksystem 142 ist als Teil des Abscheidungssystems 100 vorgesehen. Das Gas- und Drucksystem 142 umfasst Ventile, Leitungen und Druck- und Flusssensoren, um den Druck in der Kammer 104 zu steuern, um Reaktionsgase einzuführen und Abgase zu entfernen. Das Gas- und Drucksystem 142 ist mit dem Steuersystem 140 verbunden.
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Während des Sputter-Verfahrens können Ar+-Ionen verwendet werden, um Kupferatome von dem Kollimator 106 freizusetzen, die auf dem Wafer 108 kondensieren.
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Das Abscheidungssystem 100 kann auch für Ätzen oder Re-Sputtern mittels Metallionen, etwa Kupfer-Ionen, verwendet werden. Dies kann erreicht werden, indem das Steuersystem 140 verwendet wird, um die Gleichstromversorgung 120 so zu steuern, dass sie etwa 20 kW oder mehr der Target-Trägerstruktur 112 und dem Target 114 bereitstellt. Die Gleichstromversorgung und die HF-Stromversorgung 124 und 126 können abgeschaltet werden, so dass dem Kollimator 106 kein Strom zugeführt wird. Und die HF-Vorspannung, die durch die HF-Stromversorgung 122 an die Waferhalterung 110 angelegt wird, beträgt mehr als etwa 500 W. Somit kann der Kollimator 106 nur als Kollimator dienen und nicht als Kollimator und Target während eines Metallionen-Ätzverfahrens, etwa eines Kupfer-Ionen-Ätzverfahrens. Der Druck, der in der Kammer 104 durch das Gas- und Drucksystem 142 aufrechterhalten wird, ist kleiner als etwa 1 mTorr.
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Sowohl das Abscheidungsverfahren als auch das Re-Sputter-Verfahren können beim Ausbilden einer einzigen Materialschicht auf dem Wafer 108 verwendet werden. Indem beide Verfahren in dem Abscheidungssystem 100 ermöglicht werden, kann die Materialschicht, die darin ausgebildet wird, eine verbesserte Einrichtungsabdeckung bereitstellen. Das Abscheidungssystem 100 kann beispielsweise für eine dicke Abdeckung am Boden einer schmalen Grabeneinrichtung und für eine gute Seitenwand-Abdeckung sorgen. Das Re-Sputter-Verfahren kann die Metallionen verwenden, um die Seitenwand-Abdeckung zu verbessern, während es Profilschäden einschränkt.
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2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zum Abscheiden einer Materialschicht auf einem Halbleiterwafer. Wie gezeigt, umfasst das Verfahren 200 mehrere nummerierte Schritte. Ausführungsformen des Verfahrens 200 können jedoch zusätzliche Schritte vor, nach, zwischen und/oder als Teil der nummerierten Schritte umfassen. Die gezeigte Ausführungsform des Verfahrens 200 beginnt bei Schritt 202, in dem ein Wafer auf einer Waferhalterung unter einem Kollimator, der aus einem Material ausgebildet ist, und unter einem Target angeordnet wird. Bei Schritt 204 wird der Kollimator als Sputter-Target in einem Abscheidungsverfahren verwendet. Das Abscheidungsverfahren verwendet den Kollimator, um das Material für die Materialschicht bereitzustellen. In Schritt 206 endet das Abscheidungsverfahren.
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Um das Verfahren 200 besser zu beschreiben, wird nun auf das Abscheidungssystem 100 von 1 Bezug genommen. Die Waferhalterung 110 wird beispielsweise verwendet, um den Wafer 108 am Boden der Kammer 104, unter sowohl dem Kollimator 106 als auch dem Target 114, das an der Target-Trägerstruktur 112 befestigt ist, zu positionieren. Das Steuersystem 140 steuert die Gleichstromversorgung 124 und/oder die HF-Stromversorgung 126 so, dass elektrischer Strom dem Kollimator 106 zugeführt wird. Dies führt dazu, dass der Kollimator 106 als Target wirkt, so dass das Material von dem Kollimator freigesetzt wird und dann auf dem Wafer 108 durch Ionen kondensiert, die in einem Plasma gebildet werden.
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In einigen Ausführungsformen können der Kollimator 106 und das Target 114 in einem Abscheidungsverfahren verwendet werden. In solchen Ausführungsformen können der Kollimator 106 und das Target 114 gleichzeitig als Target verwendet werden oder der Kollimator 106 und das Target 114 können nach einander beim Abscheiden einer Materialschicht verwendet werden. Dies kann das Zuführen von HF-Strom und/oder Gleichstrom zu dem Target während des Abscheidungsverfahrens umfassen.
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Wenn eine erwünschte Menge von Material auf dem Wafer 108 abgeschieden wurde, kann das Abscheidungsverfahren beendet werden. Um die Seitenwand-Abdeckung von Einrichtungen zu verbessern, etwa Gräben, die auf dem Wafer 108 vorhanden sind, kann ein Metallionen-Ätzverfahren oder ein Re-Sputter-Verfahren durch das Steuersystem 140 gestartet werden. Als Teil des Metallionen-Ätzverfahrens können die Stromversorgungen 124 und 126, die mit dem Kollimator 106 verbunden sind, abgeschaltet werden, so dass kein Strom dort zugeführt wird. Stattdessen wird GS-Strom dem Target 114 durch die Gleichstromversorgung 120 zugeführt, die mit der Target-Trägerstruktur 112 verbunden ist. Während des Re-Sputterns wird eine HF-Vorspannung von mehr als 500 W an die Waferhalterung 110 angelegt, während eine HF-Vorspannung von weniger als 500 W während der Abscheidung angelegt wird.
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Die Schritte des Verfahrens 200 werden in einer einzigen Abscheidungskammer ausgeführt, die Teil des Abscheidungssystems 100 ist. Das Dualmodus-Abscheidungssystem kann verbesserte Abdeckung am Boden und den Seitenwänden von Einrichtungen bereitstellen, die kritische Abmessungen von etwa 20 Nanometern oder weniger haben. Das Profil der Materialschicht kann im Allgemeinen durch die Verwendung von Metallionen während des Re-Sputter-Verfahrens beibehalten werden.
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In einem beispielhaften Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung eine Abscheidungskammer für Materialschichten. Die Abscheidungskammer umfasst eine Einschlussschild-Struktur oder Abgrenzungsschild-Struktur, eine Waferhalterung, die so konfiguriert ist, dass sie mindestens einen Wafer in der Einschlussschild-Struktur hält, und eine Target-Trägerstruktur, die über der Waferhalterung auf einer gegenüberliegenden Seite der Einschlussschild-Struktur angeordnet ist. Die Target-Trägerstruktur ist so konfiguriert, dass sie ein Sputter-Target hält. Die Abscheidungskammer umfasst weiter einen Kollimator, der in der Einschlussschild-Struktur zwischen der Waferhalterung und der Target-Trägerstruktur angeordnet ist, wobei eine elektrische Stromquelle mit dem Kollimator verbunden ist, um elektrischen Strom zuzuführen.
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In einem weiteren beispielhaften Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Materialschicht-Abscheidungssystem. Das Materialschicht-Abscheidungssystem umfasst eine Waferhalterung, die so konfiguriert ist, dass sie mindestens einen Wafer in einer Einschlussschild-Struktur hält, und eine Target-Trägerstruktur, die über der Waferhalterung an einer gegenüberliegenden Seite der Einschlussschild-Struktur angeordnet ist. Die Target-Trägerstruktur ist so konfiguriert, dass sie ein Sputter-Target trägt. Das Materialschicht-Abscheidungssystem umfasst weiter einen Kollimator, der in der Einschlussschild-Struktur zwischen der Waferhalterung und der Target-Trägerstruktur angeordnet ist, eine elektrische Stromquelle, die mit dem Kollimator verbunden ist, um elektrischen Strom zuzuführen, und ein Steuersystem, das so konfiguriert ist, dass es die elektrische Stromquelle steuert, die mit dem Kollimator verbunden ist.
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In noch einem weiteren beispielhaften Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Abscheiden einer Materialschicht auf einem Halbleiterwafer. Das Verfahren umfasst Schritte des Positionierens eines Wafers auf einer Waferhalterung unter einem Kollimator, der aus einem Material ausgebildet ist, und unter einem Target, des Verwendens des Kollimators als Sputter-Target in einem Abscheidungsverfahren und des Beendens des Abscheidungsverfahrens. Der Kollimator stellt das Material für die Materialschicht bereit.
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Das Vorangegangene beschreibt Merkmale von mehreren Ausführungsformen, so dass der Fachmann die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Der Fachmann sollte anerkennen, dass er die vorliegende Offenbarung leicht als Basis verwenden kann, um andere Verfahren und Strukturen zu entwerfen oder modifizieren, um die gleichen Ziele zu erreichen und/oder die gleichen Vorteile der hier eingeführten Ausführungsformen zu realisieren. Der Fachmann sollte auch erkennen, dass solche äquivalenten Konstruktionen nicht von dem Geist und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abweichen und dass er verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Modifikationen hier vornehmen kann, ohne von dem Geist und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
