In modernen integrierten Schaltungen
haben die Strukturgrößen, etwa
die Kanallänge
von Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unterhalb eines Mikrometers
erreicht, wodurch die Leistungsfähigkeit dieser
Schaltungen hinsichtlich der Geschwindigkeit und der Leistungsaufnahme
stetig verbessert wird. Wenn die Größe der einzelnen Schaltungselemente deutlich
reduziert wird, wodurch beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit
von Transistorelementen verbessert wird, wird dadurch ebenso der
verfügbare Platz
für Verbindungsleitungen,
die die einzelnen Schaltungselemente elektrisch verbinden, reduziert. Folglich
müssen
die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen kleiner gemacht werden,
um einen kleineren Anteil an verfügbarem Platz und eine vergrößerte Anzahl
von Schaltungselementen pro Chip auszugleichen. In integrierten
Schaltungen mit minimalen Abmessungen von ungefähr 0,35 um und darunter ist
ein begrenzender Faktor der Bauteilleistungsfähigkeit die Signalausbreitungsverzögerung, die
durch die Schaltgeschwindigkeit der beteiligten Transistorelemente
verursacht wird. Da die Kanallänge
dieser Elemente nunmehr 0,18 um und darunter erreicht hat, ergibt
sich jedoch, dass die Signalausbreitungsverzögerung nicht mehr durch die
Feldeftekttransistoren begrenzt ist, sondern dass diese aufgrund
der gestiegenen Schaltungsdichte durch den geringen Abstand der
Verbindungsleitungen begrenzt ist, da die Kapazität zwischen
den benachbarten Leitungen in Kombination mit einer reduzierten Leitfähigkeit
dieser Leitungen aufgrund einer verringerten Querschnittsfläche angestiegen
ist. Die parasitären RC-Zeitkonstanten
erfordern daher die Verwendung einer neuen Art eines dielektrischen
Materials, vorzugsweise in Kombination mit einem äußerst leitfähigen Metall.
Herkömmlicher Weise werden Metallisierungsschichten
mittels eines dielektrischen Schichtstapels mit beispielsweise Siliziumdioxid
und/oder Siliziumnitrid mit Aluminium als typisches Metall hergestellt.
Da Aluminium in signifikanter Weise Elektromigration bei höheren Stromdichten
zeigt, wird üblicherweise
in technisch sehr fortschrittlichen integrierten Schaltungen Aluminium
durch Kupfer ersetzt, das einen deutlich geringeren elektrischen
Widerstand und eine höhere
Widerstandsfähigkeit
gegenüber Elektromigration
aufweist. Ferner werden die etablierten und gut bekannten dielektrischen
Materialien Siliziumdioxid (ε =
4,2) und Siliziumnitrid (ε > 5) zunehmend durch
Materialien mit niedrigem ε ersetzt, um
die parasitären
Kapazitäten
zu reduzieren. Der Übergang
von der gut bekannten und etablierten Aluminium/Siliziumdioxid-Metallisierungsschicht
zu einer Metallisierungsschicht mit Kupfer und einem Dielektrikum
mit niedrigem ε ist
jedoch mit einer Reihe von Problemen verknüpft, die zu lösen sind.
Beispielsweise kann Kupfer nicht
in größeren Mengen
in effizienter Weise durch die etablierten Abscheidevertahren, etwa
chemische oder physikalische Dampfabscheidung, aufgebracht werden.
Ferner kann Kupfer nicht in effizienter Weise durch etablierte anisotrope Ätzprozesse
strukturiert werden, so dass folglich die sogenannte Damaszenertechnik
bei der Herstellung von Metallisierungsschichten mit Kupferleitungen
angewendet wird. Typischerweise wird in der Damaszenertechnik die
dielektrische Schicht abgeschieden und anschließend mit Gräben und Kontaktlöchern strukturiert,
die nachfolgend mit Kupfer durch Galvanisierungsvertahren, etwa
das Elektroplattieren oder stromlose Plattieren, gefüllt werden.
Zur Herstellung von Kontaktlöchern,
die eine elektrische Verbindung von einer oberen Kupferleitung zu
einer darunter liegenden Kupferleitung einer darunter liegenden
Metallisierungsschicht herstellen, können die Kontaktlöcher und
die Gräben
in einem einzelnen Vorgang gefüllt
werden, so dass das Kontaktloch und der Graben vor dem Füllen mit
dem Kupfer strukturiert werden müssen.
Eine entsprechende Technik, die auch als duale Damaszenertechnik
bezeichnet wird, wird für
einen konventionellen dielektrischen Schichtstapel ausgeführt, indem
eine Siliziumdioxidschicht und eine Siliziumnitridzwischenschicht,
die als eine Ätzstoppschicht
für die
Grabenätzung
dient, und eine zweite darauf gebildete Siliziumdioxidschicht vorgesehen
wird. Anschließend kann
ein Kontaktloch in der oberen Siliziumdioxidschicht geätzt werden
und die Si liziumnitridschicht wird für eine nachfolgende Lochätzung geöffnet, wobei
vor dem Ätzen
des Kontaktlochs in der unteren Siliziumdioxidschicht eine entsprechende
Fotolackmaske für
die Grabenätzung
der oberen Siliziumdioxidschicht gebildet wird. Anschließend können die Grabenätzung und
die Ätzung
des unteren Kontaktlochs gleichzeitig ausgeführt werden, wobei die Tiefe des
Grabens zuverlässig
durch die Siliziumnitridätzstoppschicht
gesteuert wird. Wenn das Siliziumdioxidmaterial mit hohem ε durch ein
Material mit kleinem ε ersetzt
wird, ist die Sachlage bei der Herstellung des Kontaktlochs und
des Grabens deutlich anders, da das Ausbilden einer zwischenliegenden Ätzstoppschicht,
etwa der Siliziumnitridschicht, die einen hohen ε-Wert aufweist, in unzulässigerweise
die Permittivität
des gesamten dielektrischen Schichtstapels erhöhen kann. Um eine minimale
Permittivität
zu erreichen, wird die dazwischen liegende Ätzstoppschicht im Allgemeinen
weggelassen. Ein häufig
angewendetes Ätzschema
zur Herstellung von Gräben und
Kontaktlöchern
kann entsprechend der Sequenz ausgeführt werden, die nunmehr mit
Bezug zu den 1a – 1g beschrieben wird.
1a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht einer Halbleiterstruktur 100 mit
einem Substrat 101, das Schaltungselemente, etwa Transistoren, Kondensatoren,
Widerstände
und dergleichen und eine oder mehrere Metallisierungsschichten aufweisen
kann, die ähnlich
zu einer auf dem Substrat 101 herzustellende Metallisierungsschicht
sind. Eine untere Ätzstoppschicht 102,
die auch als eine Diffusionsbarriere dient, ist auf dem Substrat 101 mit
einer Dicke ausgebildet, die ausreicht, um zuverlässig einen Ätzprozess
zu stoppen oder zu verlangsamen um damit eine Beschädigung des
darunter liegenden Substrats 101 zu vermeiden und um im
Wesentlichen eine Diffusion eines Metalls, etwa von Kupfer, in darunter
liegenden Materialien zu vermeiden. In äußerst anspruchsvollen Anwendungen
wird vorzugsweise die Ätzstoppschicht 102 als
ein Material mit kleinem ε bereit
gestellt, das beispielsweise eine Siliziumnitridschicht ersetzt.
Beispielsweise kann eine Siliziumcarbidnitridschicht (SiCN) als
die Ätzstoppschicht 102 vennrendet
werden, die auch als eine Barriere mit geringem ε (BLOK) bezeichnet wird. Eine
dielektrische Schicht 103 mit kleinem ε ist auf der Ätzstoppschicht 102 gebildet.
Ein guter Kandidat für
ein Material mit kleinem ε für die dielektrische
Schicht 103 ist ein Wasserstoff enthaltendes Silizium-Oxy-Carbid
(SiCOH) mit einer Permittivität
von ungefähr
2. In einigen Anwendungen ist eine antireflektierende Beschichtung 104,
die auf der dielektrischen Schicht 103 gebildet ist, erforderlich,
um die dielektrische Schicht 103 zu strukturieren. Schließlich ist
eine strukturierte Fotolackmaske 105 über der dielektri schen Schicht 103 mit
einer darin gebildeten Öffnung 106 vorgesehen,
die die Abmessungen des in der dielektrischen Schicht 103 herzustellenden Öffnungen repräsentiert.
Die Prozessverfahren, die zur Herstellung der in 1a gezeigten Halbleiterstruktur 100 notwendig
sind, sind etabliert und gut bekannt und daher wird eine Beschreibung
davon weggelassen.
Anschließend wird ein anisotropen Ätzvorgang
ausgeführt,
wobei die Fotolackmaske 105 als eine Ätzmaske dient.
1b zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 100 nach Abschluss des
anisotropen Ätzprozesses.
Ein Kontaktloch 107 ist in der dielektrischen Schicht 103 entsprechend
den Abmessungen der Öffnung 106 (1a) gebildet.
1c zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 100 mit einer Fotolackmaske 109 mit
einer Öffnung 108 entsprechend
den Entwurfsabmessungen eines zu bildenden Grabens. Optional kann
die Fotolackmaske 109 so gestaltet sein, dass die Unterseite
der Öffnung 107 ebenso
beschichtet ist. Anschließend
wird das Substrat 101 anisotrop geätzt, wobei Prozessparameter,
insbesondere die Prozesszeit, präzise
zu steuern sind, um eine erforderliche Tiefe für den zu bildenden Graben zu
erreichen.
1d zeigt
die Halbleiterstruktur 100 schematisch nach Abschluss des
anisotropen Ätzprozesses,
wobei ein Graben 110 in einem oberen Bereich der dielektrischen
Schicht 103 gebildet ist. Eine Tiefe 111 des Grabens 110 ist
somit durch die Ätzprozessparameter
bestimmt. Es ist somit offensichtlich, dass, obwohl eine einfache
und effektive Prozesssequenz erstellt werden kann, indem die dielektrische Schicht 103 ohne
eine zwischenliegende Ätzstoppschicht
bereit gestellt wird, wodurch ein optimaler geringer ε-Wert resultiert,
beliebige Schwankungen in dem anisotropen Ätzprozess zu einer Tiefenvariation führen können und
damit eine Änderung
des elektrischen Verhaltens einer in dem Graben 100 gebildeten
Kupferleitung nach sich ziehen können,
da deren Widerstand von dem Querschnitt des Grabens 110 abhängt.
Da eine Änderung des Kupferleitungswiderstandes
einen negativen Einfluss auf die Bauteilleistungsfähigkeit
haben kann, wäre
es daher äußerst wünschenswert,
ein Schema für
die duale Damaszenertechnik bereit zu stellen, das einen optimalen
gerin gen ε-Wert
für ein
gegebenes dielektrisches Material zulässt, ohne dabei deutliche Grabentiefenänderungen
mit sich zu bringen.
ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
Im Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung
an ein duales Damaszenerverfahren mit einem dielektrischen Schichtstapel
mit einer unteren Ätzstoppschicht
und eine erste und eine zweite dielektrische Schicht mit kleinem ε, die durch
eine äußerst dünne Ätzindikatorschicht
getrennt sind, die es ermöglicht,
ein Ende der Grabenätzung
genauer zu bestimmen als im konventionellen Prozess, so dass die
Grabentiefenänderungen
deutlich reduzierbar sind, wobei die äußerst dünne Indikatorschicht die Gesamtpermittivität des dielektrischen
Stapels mit kleinem ε im
Wesentlichen nicht beeinflusst.
Gemäß einer anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbleiterstruktur einen
dielektrischen Schichtstapel mit kleinem ε. Der dielektrische Schichtstapel
umfasst eine Barrierenschicht, eine erste dielektrische Schicht
mit einem Wasserstoff enthaltenden Silizium-Oxy-Carbid (SiCOH)-Material
und eine zweite dielektrische Schicht mit Wasserstoff enthaltendem
Silizium-Oxy-Carbid (SiCOH)-Material. Ferner umfasst der dielektrische
Schichtstapel eine Ätzindikatorschicht,
die zwischen der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht angeordnet
ist.
Gemäß einer weiteren anschaulichen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbleiterstruktur einen
dielektrischen Schichtstapel mit kleinem e, der eine Barrierenschicht
und eine erste dielektrische Schicht, die auf der Barrierenschicht
angeordnet ist, und eine zweite dielektrische Schicht. Eine Ätzindikatorschicht
auf Siliziumdioxidbasis ist zwischen der ersten und der zweiten
dielektrischen Schicht angeordnet.
Gemäß einer noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung
eines dielektrischen Schichtstapels mit kleinem ε das Bereitstellen eines Substrats
mit einer darauf gebildeten Barrierenschicht. Es wird eine erste
dielektrische Schicht auf der Barrierenschicht gebildet und anschließend wird
eine Ätzindikatorschicht
auf Siliziumdioxidbasis auf der ersten dielektrischen Schicht gebildet. Schließlich wird
eine zweite dielektrische Schicht auf der Ätzindikatorschicht hergestellt.
Gemäß einer noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung
einer Metallisierungsstruktur eines Halbleiterbauteils das Bereitstellen
eines Substrats mit einem darauf ausgebildeten dielektrischen Schichtstapel
mit kleinem ε,
der eine Barrierenschicht, eine erste und eine zweite dielektrische
Schicht und eine Ätzindikatorschicht
auf Siliziumoxidbasis, die zwischen der ersten und der zweiten dielektrischen
Schicht angeordnet ist, umfasst. Ein Kontaktloch wird in dem dielektrischen
Schichtstapel gebildet und ein Graben wird um das Kontaktloch herum
geätzt,
während
ein optisches Emissionsspektrum einer Cyanid- (CN) und/oder einer
Kohlenstoffmonoxid (CO)-Verbindung beobachtet wird. Des Weiteren
wird das Ätzen
auf der Grundlage von Information, die aus dem optischen Emissionsspektrum gewonnen
wird, unterbrochen.
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert
wird; es zeigen:
1a-1d schematisch Querschnittsansichten
einer dualen Damaszenerprozesssequenz gemäß einem typischen konventionellen
Prozessablauf;
2 schematisch
eine typische Abscheideanlage, die geeignet ist, um die Abscheidesequenz gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung auszuführen;
3 zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht einer Halbleiterstruktur mit
einem dielektrischen Schichtstapel mit kleinem ε gemäß einer anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt
schematisch eine Plasmaätzanlage
mit einem optischen Detektionssystem, die zur Herstellung von Kontaktlöchern und
Gräben
einer dualen Damaszenerstruktur gemäß anschaulicher Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
5a und 5b schematisch Querschnittsansichten
einer dualen Damaszenerstruktur während des Ätzens eines Grabens in die
Struktur gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
5c ein
Diagramm, das optische Emissionsspektren repräsentiert, die mittels der Ätzindikatorschicht
während
des Ätzens
von Gräben
in einer dualen Damaszenerstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung
erhalten werden.
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
Obwohl die vorliegende Erfindung
mit Bezug zu den Ausführungsformen,
wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den
Zeichnungen dargestellt sind, beschrieben ist, sollte es selbstverständlich sein,
dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen
nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen
anschaulichen offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen vielmehr
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar,
deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
Wie zuvor ausgeführt ist, stützt sich die vorliegende Erfindung
auf die Erkenntnis der Erfinder, dass das Bereitstellen einer Ätzindikatorzwischenschicht,
d.h. einer Schicht, die ein deutliches Ausgangssignal liefert, das
durch ein optisches Detektionssystem erfassbar ist, ein präzises Bestimmen
des Endes der Ätzsequenz
ermöglichen
kann. Daher ist erfindungsgemäß die Dicke
der Ätzindikatorschicht gering
genug, um nicht unnötigerweise
die Permittivität
der dielektrischen Schicht mit kleinem e zu erhöhen, ist aber dennoch ausreichend
um ein zuverlässiges
Ausgangssignal zu liefern, um deutlich das Ende des Ätzvorganges
zu identifizieren, wobei gleichzeitig ein hohes Maß an Kompatibilität mit standardmäßigen Prozessen
erreicht wird.
In 2 ist
eine typische Abscheideanlage 200 in schematischer und
sehr vereinfachter Weise gezeigt. Die Abscheideanlage 200 umfasst
eine Prozesskammer 201 mit einem Substrathalter 202 mit
einer Heizeinrichtung 203, die darin enthalten ist. Ferner
ist ein Gaszufuhreinlass 204 und ein Gasauslass 205 vorgesehen,
wobei betont werden soll, dass der Einlass 204 und der
Auslass 205 mit geeigneten Rohmaterialquellen (nicht gezeigt)
und Pumpmitteln (nicht gezeigt) verbunden sind, um die erforderlichen Rohmaterialgase
in der Prozesskammer 201 mit einer gewünschten Durchflussrate bereit
zu stellen und um einen erforderlichen Unterdruck zu errichten.
Ferner ist für
eine plasmaunterstützte
chemische Dampfabscheidung eine geeignete Einrichtung zum Anregen
und Beibehalten eines Plasmas über
dem Substrathalter 202 vorzusehen. Der Einfachheit halber
ist die entsprechende Einrichtung in 2 nicht gezeigt.
In einer anschaulichen Ausführungsform können die
Abscheideanlage 200 Systeme für plasmaunterstütztes CVD
sein, die von Applied Materials unter dem Namen DXZ und Producer
erhältlich
sind.
Die Betriebsweise der Abscheideanlage 200 wird
im Weiteren mit Bezug zu 3 beschrieben, die
schematisch eine Halbleiterstruktur mit einem dielektrischen Schichtstapel
gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
In 3 umfasst
eine Halbleiterstruktur 300 ein Substrat 301,
das darauf und darin ausgebildete Schaltungselemente, etwa Transistoren,
Kondensatoren, Widerstände
und dergleichen, sowie eine oder mehrere Metallisierungsschichten
aufweisen kann. Eine Ätzstoppschicht 302,
die auch als eine Barrierenschicht dienen kann, ist über dem
Substrat 301 gebildet und weist ein Material auf, das eine
hohe Ätzselektivität zu einem
Material einer ersten dielektrischen Schicht 303, die auf
der Ätzstoppschicht 302 gebildet
ist, besitzt. Des Weiteren kann die Ätzstoppschicht 302 vorzugsweise
gute Barriereeigenschaften aufweisen, um eine Diffusion von Metall,
etwa von Kupfer, in darunter liegende Materialschichten zu vermeiden.
Es sollte beachtet werden, dass das Substrat 301 stellvertretend
für eine
beliebige Struktur sein soll, über
der der dielektrische Schichtstapel gebildet werden kann. Wie der
Fachmann erkennen kann, kann die vorliegende Erfindung für eine beliebige
Ebene einer integrierten Schaltung angewendet werden. Somit kann
diese angewendet werden, wenn leitende Verbindungen hergestellt
werden, die tatsächlich
die Halbleiterelemente, die in dem halbleitenden Substrat gebildet
sind, kontaktieren, oder beim Herstellung Leitender Verbindungen
in einer beliebigen Ebene einer Mehrebenenstruktur für Leitungen
und Kontaktlöcher
eines integrierten Schaltungsbauteils. In einer speziellen Ausführungsform umfasst
die Ätzstoppschicht 302 Siliziumcarbidnitrid (SiCN),
das einen relativ kleinen ε-Wert
aufweist. Eine zweite dielektrische Schicht 305 ist über der
ersten dielektrischen Schicht 303 gebildet, wobei eine Ätzindikatorschicht 320 dazwischen
angeordnet ist. Die erste und die zweite dielektrische Schicht 303, 305 können aus
dem gleichen oder aus unterschiedlichen Materialien mit kleinem ε gebildet
sein, und in einer speziellen Ausführungsform umfassen diese im Wesentlichen
Wasserstoff enthaltendes Silizium-Oxy-Carbid (SiCOH) mit einer Permittivität im Bereich
von ungefähr
2,8 – 3,1.
Es können
andere Materialien verwendet werden, etwa poröses SiCOH, BD2, BD3, die gemäß Prozessverfahren
von Applied Materials, hergestellt werden, DEMS, OMCCS, Tomcat,
die gemäß Prozessverfahren
von Dow Corning hergestellt werden, und dergleichen. In Herstellungsabläufen mit
Aufschleudertechniken zum Auftragen der ersten und/oder der zweiten
dielektrischen Schicht 303, 305 können SiLK,
poröses
SiLK, MSQ, HSQ, MesoELK2.2, MesoELK1.9 und der dergleichen verwendet
werden.
Die erste und die zweite dielektrische
Schicht 303, 305 werden mit einer ersten Dicke 307 und
einer zweiten Dicke 306 vorgesehen, so dass die Gesamtdicke
den Entwurferfordernissen genügt.
Insbesondere wird die zweite Dicke 306 so gewählt, dass
diese einer gewünschten
Tiefe eines in der zweiten dielektrischen Schicht 305 zu
bildenden Grabens entspricht. In typischen Ausführungsformen wird die zweite
Dicke 306 auf einen Bereich von ungefähr 200 – 300 nm festgelegt. Die erste
Dicke 307 liegt typischerweise in einem Bereich von ungefähr 200 – 300 nm.
Eine Dicke 308 der Ätzindikatorschicht 320 wird so
gewählt,
um ein ausreichendes Monitorsignal zu liefern, wie dies später erläutert wird,
während
dennoch die Gesamtpermittivität
des dielektrischen Schichtstapels, der die erste und die zweite
dielektrische Schicht 303, 305 und die Ätzindikatorschicht 320 umfasst,
nicht unnötig
erhöht
wird. In einer Ausführungsform
weist die Ätzindikatorschicht 320 Siliziumdioxid
auf und die Dicke liegt in einem Bereich von 5 – 35 nm.
Im Folgenden wird die Funktionsweise
der Abscheideanlage 200 im Hinblick auf die Herstellung einer dielektrischen
Schicht mit kleinem ε,
die im Wesentlichen Wasserstoff enthaltendes Silizium-Oxy-Carbid
(SiCOH) aufweist, beschrieben. Es sollte jedoch be achtet werden,
dass andere Materialien mit kleinem ε verwendet werden können, etwa die
Materialien, die zuvor aufgeführt
sind.
Während
des Betriebs wird das Substrat 301 mit der Ätzstoppschicht 302 auf
den Substrathalter 202 durch geeignete Mittel (nicht gezeigt)
aufgebracht. Dann wird die Atmosphäre in der Prozesskammer 201 stabilisiert
und für
das Abscheiden der ersten dielektrischen Schicht 303 aus
den Rohmaterialstoffen vorbereitet. Das Wasserstoff enthaltende Silizium-Oxy-Carbid
wird mit Sauerstoff (O2) und Trimethylsilan
(3MS) abgeschieden, wobei gemäß einer anschaulichen Ausführungsform
eine Plasmaatmosphäre
erzeugt wird, die ein inertes Gas, etwa Helium, und die Rohmaterialgase
Sauerstoff (O2) und Trimethylsilan (3MS)
aufweist. Ein typischer Druckbereich liegt bei ca. 4 bis 6 Torr,
bei einer Temperatur von ungefähr
300 – 400°C. Abhängig von
den genauen Prozessparametern ist typischerweise eine Zeit von ca. 15 – 20 Sekunden
erforderlich, um die erste dielektrische Schicht mit einer Dicke
von ungefähr
250 Nanometer bei einer Hochfrequenzleistung im Bereich von ca.
500 – 900
W abzuschalten. Die Durchflussraten für Helium, Sauerstoff und 3MS
können
auf ungefähr 300 – 500 sccm,
300 – 500
sccm und 1000 -1800 sccm eingestellt werden.
Nach der Herstellung der ersten dielektrischen
Schicht 303 wird die Ätzindikatorschicht 320 in der
gleichen Prozesskammer 201 oder in einer anderen Abscheideanlage,
die die gleichen Elemente als die Anlage 200 aufweisen
kann, gebildet.
Gemäß einer anschaulichen Ausführungsform
wird die Ätzindikatorschicht 320 im
Wesentlichen als eine Siliziumdioxidschicht in einer separaten Prozesskammer
gebildet, wobei TEOS als ein Rohmaterialgas verwendet wird. Dazu
wird Sauerstoff und TEOS in die Prozesskammer eingeführt (der
Einfachheit halber wird auf die Abscheideanlage 200 Bezug
genommen, wobei jedoch bedacht werden sollte, dass eine andere Abscheideanlage
als die zur Abscheidung der ersten dielektrischen Schicht 303 eingesetzte
Anlage anwendbar ist, oder es kann eine ausreichend lange Übergangsperiode,
in der ein intensives Spülen
und ein Stabilisieren der Prozesskammer 201 erforderlich
ist, vorgesehen werden) und es wird ein Plasma geschaffen, indem
eine Hochfrequenzleistung der Prozesskamme 201 zugeführt wird,
um das Abscheiden von Siliziumdioxid auf der ersten dielektrischen
Schicht 303 in Gang zu setzen. Für eine auf das Substrat 301 einwirkende
Temperatur von ungefähr
350 – 450°C, einem
Druck im Bereich von ungefähr
6 – 8
Torr und Durchflussraten von ungefähr 400 – 600 sccm, 4100 – 4500 sccm
und 4100 – 4500
sccm für
TEOS, Sauerstoff und Helium, liegt die Dicke 308 im Bereich von
ca. 10 – 40
nm für eine
Abscheidezeit von ungefähr
5 - 7 Sekunden. Es sollte jedoch berücksichtigt werden, dass die
zuvor genannten Prozessparameter in Überstimmung mit Prozesserfordernissen änderbar
sind, solange die erforderliche Dicke 308 erreicht wird.
In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform
wird die Ätzindikatorschicht
320 im Wesentlichen als eine Siliziumdioxidschicht unter Verwendung
von Silan (SiH4) als ein Rohmaterialgas
gebildet. Gemäß dieser
Ausführungsform
wird das Substrat 301 mit der Ätzstoppschicht 302 und
der ersten dielektrischen Schicht 303 in eine geeignete
Abscheideanlage, etwa die Anlage 200, eingeführt und Siliziumdioxid
wird in einem plasmaverstärkten
Abscheidezyklus mit Silan und Stickstoffoxid (N2O)
als reaktive Gase abgeschieden. Um eine Siliziumdioxidschicht mit
einer Dicke von ungefähr
10 – 40
nm abzuscheiden, kann die Parametereinstellung wie folgt gewählt werden.
Die Temperatur liegt in einem Bereich von ungefähr 350 – 450°C, der Kammerdruck ist im Bereich
von 2 – 5
Torr und die Durchflussraten von Silan und N2O
sind im Bereich von ungefähr
80 – 120
sccm und 3800 – 4200
sccm, wobei eine Abscheidezeit im Bereich von ca. 3 – 5 Sekunden
liegt. Es soll betont werden, dass die Prozessparameter in Übereinstimmung
mit Prozesserfordernissen variierbar sind, solange die erforderliche
und spezifizierte Dicke 308 erreicht wird.
In anderen Ausführungsformen kann die Ätzindikatorschicht 320 auf
der ersten dielektrischen Schicht 303 in der gleichen Prozesskamme 201 gebildet
werden, wie sie zur Bildung der ersten dielektrischen Schicht 303 verwendet
wird, ohne dass das Vakuum gebrochen wird, d.h., die Ätzindikatorschicht 320 wird
in-situ gebildet. In einer speziellen Ausführungsform wird nach der Herstellung
der ersten dielektrischen Schicht 303 in einer Weise, wie
sie zuvor beschrieben ist, ein Übergangsschritt
ausgeführt,
um die Atmosphäre
in der Prozesskammer 201 zu stabilisieren. Beispielsweise
kann ein Pumpschritt nach Beendigung der Abscheidung der ersten
dielektrischen Schicht 303 ausgeführt werden und anschließend wird
Stickstoffoxid (N2O) als Gas in die Prozesskammer
eingeführt,
wobei ein Druck im Bereich von ungefähr 2 – 4 Torr erzeugt wird. Dann
wird zusätzlich
Silan in die Prozesskammer eingeführt und die Temperatur wird
auf einen Bereich von 380 – 420°C festgelegt.
Nach Zuführen
einer Hochfrequenzleistung, um eine Plasmaumgebung aufrecht zu erhalten,
wird Siliziumdioxid abgeschieden, wobei eine Dicke von ungefähr 10 – 40 nm
mit einer Abscheidezeit von ungefähr 3 – 5 Sekunden erhalten wird.
Anschließend
können
Restgase und Nebenprodukte im Wesentlichen durch einen Pumpschritt
entfernt werden und die Prozesskammer 201 wird für Abscheidung
der zweiten dielektrischen Schicht 305 vorbereitet. Dazu
werden ähnliche
Prozessparameter gewählt,
wie sie zuvor mit Bezug zur Abscheidung der ersten dielektrischen
Schicht 303 beschrieben sind, und somit wird die zweite
dielektrische Schicht 305 mit im Wesentlichen gleichen
Eigenschaften als die erste dielektrische Schicht 303 abgeschieden. Hinsichtlich
der Prozessparameter zum Abscheiden der zweiten dielektrischen Schicht 305 gelten
auch in diesem Falle die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug
zu der ersten dielektrischen Schicht 303 dargelegt sind.
In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform
wird die Ätzindikatorschicht 320 im
Wesentlichen als eine Siliziumdioxidschicht in der gleichen Prozesskammer 201 gebildet,
die zuvor für
die Herstellung der ersten dielektrischen Schicht 303 verwendet
wird, wobei das Siliziumdioxid auf der Grundlage von 3MS und Sauerstoff
unmittelbar nach Beendigung der Abscheidung der ersten dielektrischen
Schicht 303 abgeschieden wird. Um das Abscheiden von SiCOH
zu unterbrechen und das Abscheiden von Siliziumdioxid zu beginnen,
wird das Zuführen
des inerten Gases, etwa von Helium, unterbrochen und die Durchflussrate
von Sauerstoff wird auf einen Bereich von ungefähr 800 – 1000 sccm angehoben. Gleichzeitig
wird die Durchflussrate von 3MS verringert auf einen Bereich von
ungefähr
200 – 300
sccm. Das Beibehalten dieser Parametereinstellung für ungefähr 8 – 12 Sekunden
führt zu
einer Dicke von ungefähr
10 – 40
nm. Anschließend
können mehrere
sogenannte Hochlauf-Schritte ausgeführt werden, um allmählich die
Heliumdurchflussrate und die 3MS-Durchflussrate zu erhöhen, wobei
die Sauerstoffdurchflussrate gesenkt wird. Vorzugsweise wird in
einem ersten Hochlauf-Schritt die Sauerstoffdurchflussrate auf einen
Wert herabgesetzt, der zuvor für
das Abscheiden der ersten dielektrischen Schicht 303 verwendet
wurde. Nachdem Prozessbedingungen ähnlich zu jenen, wie sie für das Abscheiden
der ersten dielektrischen Schicht 303 verwendet wurden,
erreicht sind, kann die zweite dielektrische Schicht 305 abgeschieden
werden. Es sollte beachtet werden, dass abhängig von der speziellen Ausgestaltung
der Hochlauf-Schritte zwischen der Abscheidung der Ätzindikatorschicht 320 und
der zweiten dielektrischen Schicht 305 ein graduelles Abscheiden von
Siliziumdioxid zu Wasserstoff enthaltendem Silizium-Oxy-Carbid stattfinden
kann, so dass eine Grenzfläche
zwischen diesen beiden Schichten einen relativ graduellen Übergang
repräsentieren kann.
Es ist jedoch leicht ersichtlich,
dass durch Variieren der zuvor beschriebenen Parameterbereiche die
Dicke 308 sowie die Übergangseigenschaften
zwischen der Ätzindikatorschicht 320 und
der zweiten dielektrischen Schicht 305 entsprechend den Entwurfserfordernissen
einstellbar ist. Entsprechendes gilt ferner ebenso für eine Grenzfläche zwischen der
ersten dielektrischen Schicht 303 und der Ätzindikatorschicht 320.
Da das Herstellen der ersten und
der zweiten dielektrischen Schicht 303 und 305 und
der Ätzindikatorschicht 320 keine
zusätzlichen
Spülschritte
erfordert, da die gleichen Rohmaterialgase verwendet werden, wird
eine zeiteffiziente Abscheidesequenz erhalten.
In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform
wird das Substrat 301 einer Sauerstoffbehandlung unmittelbar
nach Abschluss des Abscheidens der ersten dielektrischen Schicht 303 unterzogen.
Der Heliumfluss und der 3MS-Fluss werden unterbrochen und die Hochfrequenzleistung
wird reduziert, während
der Sauerstofffluss beibehalten wird. Mit einer Behandlungszeit
im Bereich von ca. 8 – 12 Sekunden,
wobei möglicherweise
eine Vorspannungsleistung zusätzlich
zur Hochfrequenzleistung angelegt wird, etwa eine Niederfrequenzleistung
im Bereich von ungefähr
10 Watt, wird Siliziumdioxid auf der ersten dielektrischen Schicht 203 mit
einer Dicke im Bereich von ungefähr
10 – 40
nm gebildet. Anschließend
werden mehrere Hochlauf-Schritte ausgeführt, um allmählich Prozessbedingungen
wieder herzustellen, die ähnlich
sind zu jenen, wie sie für
das Abscheiden der ersten dielektrischen Schicht 303 beschrieben
sind. Nachdem diese Bedingungen wieder hergestellt sind, kann die
zweite dielektrische Schicht 305 abgeschieden werden.
Es sollte beachtet werden, dass insbesondere
die anschaulichen Ausführungsformen,
die sich auf eine in-situ-Herstellung der Ätzindikatorschicht 320 beziehen,
die Zusammensetzung und damit die physikalischen Eigenschaften der Ätzindikatorschicht 320 von
der genauen verwendeten Parametereinstellung für die Abscheidesequenz abhängen. Somit kann
eine gewisse Menge an Sauerstoff enthaltendem Silizium-Oxy-Carbid
oder anderen Nebenprodukten in der Ätzindikatorschicht 320 vorhanden sein,
wobei jedoch der wesentliche Anteil Siliziumdioxid aufweist. Wie
ferner bereits zuvor ausgeführt
ist, können
die Übergänge zwischen
einem im Wesentlichen Siliziumdioxid basiertem Gebiet der Ätzindikatorschicht 320 zu
der ersten und/oder der zweiten dielektrischen Schicht 303 und 305 einen
graduellen Übergang
mit einem variierenden Verhältnis
von Siliziumdioxid zu Wasserstoff enthaltendem Silizium-Oxy-Carbid
aufweisen, wobei eine Dicke eines entsprechenden Übergangsbereichs
entsprechend der jeweiligen gewählten
Parametereinstellung variieren kann. Wenn daher auf eine Ätzindikatorschicht 320 mit
Siliziumdioxid in der Beschreibung und den anhängigen Patentansprüchen Bezug
genommen wird, so soll diese Schicht eine Siliziumdioxid-artige Schicht
in der zuvor definierten Weise beschreiben.
In anderen Ausführungsformen können die erste
und/oder die zweite dielektrische Schicht 303, 305 durch
Aufschleudern eines Materials mit kleinem ε auf das Substrat gebildet werden.
Dazu können
ein oder mehrere der zuvor genannten Materialien mit kleinem ε verwendet
werden und durch gut bekannte Aufschleuder-Verfahren aufgebracht
werden.
Folglich ermöglichen es die zuvor beschriebenen
anschaulichen Ausführungsformen
einerseits die Ätzindikatorschicht 320 so
herzustellen, dass diese im Wesentlichen Siliziumdioxid aufweist,
indem die Ätzindikatorschicht 320 separat
auf der Grundlage einer TEOS-Abscheidung und auf der Grundlage einer
Silanoxid-Abscheidung abgeschieden wird. Daher kann die Ätzindikatorschicht 320 eine
relativ gut definierte Dicke 308 mit einer gut definierten
Grenzfläche
zu der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht 303 und 305 aufweisen.
Diese ex-situ-Abscheideverfahren ermöglichen ferner eine Prozesssequenz
zum Aufbringen von Materialien mit kleinem e, die eine Beschichtung
durch "Aufschleudern" erfordern.
Andererseits kann die Ätzindikatorschicht 320 in
einem in-situ-Prozess gebildet werden, wobei die Herstellung der
ersten und der zweiten dielektrischen Schicht 303, 305 und
der Ätzindikatorschicht 320 in
einer einzelnen Abscheidekammer ohne Brechen des Vakuums auf der
Grundlage einer Silanoxid-Abscheidung, einer 3MS-Oxidbildung und
einer Oxidation in einer Sauerstoffatmosphäre ermöglicht wird. Daher fördern diese
in-situ-Ausführungsformen eine
maximale Abscheideanlage-Ausnutzung.
Es sollte beachtet werden, dass in
den zuvor beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen eine Vielzahl
von Stabilisierungs-, Spül-,
Hochlauf-Schritten und dergleichen entsprechend der speziellen verwendeten
Prozessanlage eingeführt
werden kön nen.
Daher liegt auch das Anpassen der obigen Parameterwerte einschließlich zusätzlicher Schritte
an eine entsprechende Abscheideanlage innerhalb des Schutzbereichs
der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug zu den 4, 5a – 5c werden nun weitere Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben, wobei ein Graben innerhalb eines dielektrischen Schichtstapels
mit kleinem ε,
der beispielsweise die Ätzstoppschicht 302,
die erste und die zweite dielektrische Schicht 303, 305 und
die Ätzindikatorschicht 320 umfasst,
gebildet wird.
4 zeigt
schematisch eine Ätzanlage 400 einschließlich einer
Prozesskammer 401, einer Substrathalterung 402,
einer Heizeinrichtung 403, einer Magnetanordnung 404 und
Hochfrequenzspulen 405 zur Erzeugung einer Plasmaumgebung 406 über der Substrathalterung 402.
Ferner umfasst die Ätzanlage 400 ein
optisches Detektionssystem 410, das es ermöglicht,
optische Strahlung, die in der Plasmaumgebung 406 erzeugt
wird, zu empfangen und zu detektieren. Die während des Betriebs der Ätzanlage 400 erzeugte
Strahlung hängt
von der Art der Ionen, Atome und/oder Moleküle ab, die in der Plasmaumgebung
vorhanden sind, und daher kann durch Auswählen einer geeigneten Wellenlänge oder
eines geeigneten Wellenlängenbereichs
die Strahlung der interessierenden Ionen, Atome und Moleküle überwacht
werden.
Mit Bezug zu den 3, 5a – 5c wird nun der Betrieb der Ätzanlage 400 beschrieben.
Ein Substrat, etwa die Halbleiterstruktur 300, die in 3 gezeigt ist, wird in die
Substrathalterung 402 eingeladen und Prozessparameterwerte,
etwa der Art der der Prozesskammer 401 zugeführten reaktiven
Gase, ein in der Nähe
der Substrathalterung 402 eingestellter Druck, eine Hochfrequenzleistung,
die der Einrichtung 405 zur Errichtung der Plasmaumgebung 406 zugeführt wird,
die Temperatur der Substrathalterung 402 und dergleichen,
werden entsprechend den Prozesserfordernissen gewählt. Da
das Ätzen
eines Materials mit kleinem ε,
etwa von Wasserstoff enthaltendem Silizium-Oxy-Carbid im Stand der Technik bekannt
ist, wird eine entsprechende Beschreibung der Parametereinstellung
weggelassen.
5a zeigt
die Halbleiterstruktur 300 nach Ätzen eines Kontaktlochs 317 durch
die erste und die zweite dielektrische Schicht 303, 305 und
während des Ätzprozesses
zur Bildung eines Grabens 318 in der zweiten dielektrischen
Schicht 305. Dazu ist eine Foto lackmaske 316 über der
zweiten dielektrischen Schicht 305 vorgesehen, wobei, wie
zuvor mit Bezug zu den 1a – 1d angemerkt ist, eine antireflektierende
Beschichtung auf der zweiten dielektrischen Schicht 305,
abhängig
von der verwendeten Fotolithografietechnik, vorgesehen sein kann. 5a zeigt die Halbleiterstruktur 300 zu
einem Zeitpunkt, in dem der Ätzprozess
noch nicht die Entwurfstiefe des Grabens 318 erreicht hat,
die durch die zweite Dicke 306 der zweiten dielektrischen
Schicht 305 repräsentiert ist.
5b zeigt
die Halbleiterstruktur 300 zu der Zeit, wenn der Ätzprozess
die Ätzindikatorschicht 320 erreicht
hat, so dass der Ätzprozess
nunmehr zu beenden ist. Da die Ätzindikatorschicht 320 eine
unterschiedliche Zusammensetzung aufweist – z.B. umfasst die Ätzindikatorschicht
320 im Wesentlichen Siliziumdioxid – können die Nebenprodukte, die
von dem Ätzprozess
erzeugt werden und die in der Plasmaumgebung 406 vorhanden
sind, durch das optische Detektionssystem 401 beobachtet
werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass insbesondere die
Beobachtung der Wellenlänge,
die mit angeregtem Cyanid (CN)-Molekülen und angeregten Kohlenmonoxid
(CO)-Molekülen
verknüpft
ist, als ein zuverlässiger
Indikator verwendet werden kann, dass Material aus der Ätzindikatorschicht 320 abgetragen wird.
5c zeigt
schematisch einen repräsentativen
Graphen, der geglättete
und gemittelte Intensitäten
optischer Emissionsspektren darstellt, die von dem optischen Detektionssystem 401 empfangen werden,
wenn dieses auf die von den Cyanid (CN)-Molekülen, repräsentiert durch eine Kurve A, und
von Kohlenmonoxid (CO)-Molekülen,
repräsentiert
durch eine Kurve B, ausgesendeten Wellenlängen eingestellt ist. Die X-Achse
repräsentiert
die Ätzzeit
in Sekunden, wobei bedacht werden sollte, dass die Ätzzeit von
der für
den Betrieb der Ätzanlage 400 gewählten Parametereinstellung
abhängt.
Die Y-Achse repräsentiert
die Intensität
der entsprechenden optischen Emissionsspektren, wobei der Einfachheit halber
willkürliche
Einheiten verwendet sind. Wie aus 5c ersichtlich
ist, wird ein Anstieg der entsprechenden Intensitäten beobachtet,
wenn Material aus der Ätzindikatorschicht 320 abgetragen
wird. Die Steigung der Kurven A und B hängt unter anderem von den Eigenschaften
der Grenzfläche
zwischen der zweiten dielektrischen Schicht 305 und der Ätzindikatorschicht 320 ab.
Das heißt,
wie zuvor ausgeführt
ist, abhängig
von dem verwendeten Herstellungsvorgang führt ein mehr oder weniger kontinuierlicher Übergang
von Wasserstoff enthaltendem Silizium-Oxy-Carbid zu beispielsweise
Siliziumdioxid zu einem entsprechenden Anstieg von Cyanid (CN)- und
Kohlenmonoxid (CO)-Molekülen
in de Plasmaumgebung 406 und führt zu einer entsprechenden Steigung
der Kurven A und B. Wie in 5b gezeigt ist,
hat der Ätzprozess
im Wesentlichen eine Hälfte der Ätzindikatorschicht 320 abgetragen,
wobei die verbleibende Hälfte
durch 309 bezeichnet ist, und das Maximum der Kurven A
und B entspricht im Wesentlichen der entfernten Dicke 309.
Die abfallende Flanke der Kurven A und B würde man folglich erhalten,
wenn der Ätzprozess
fortgesetzt würde,
bis die restliche Hälfte
der Ätzindikatorschicht 320 im
Wesentlichen vollständig
entfernt wäre.
Diese Situation kann beispielsweise beim Ätzen des Kontaktlochs 317 beobachtet
werden. Wie aus 5c ersichtlich ist,
wird ein gewisser Betrag an "Verzögerung" zwischen der Kurve
A und der Kurve B beobachtet, wovon angenommen wird, dass dieser
durch ein unterschiedliches dynamisches Verhalten der Cyanid (CN)-Moleküle und der
Kohlenmonoxid (CO)-Moleküle beim Ätzen der Ätzindikatorschicht 320 bewirkt wird.
Der Unterschied des Maximums beider Kurven ist reproduzierbar im
Bereich von ungefähr
2 – 5
Sekunden für
typische Ätzprozessparametereinstellungen
und somit können
beide Kurven, entweder einzeln oder in Kombination, verwendet werden,
um zuverlässig
das Ende des Ätzvorgangs
zu bestimmen. Beispielsweise kann der Ätzvorgang an einem Zeitpunkt
zwischen dem Maximum der Kurve A und dem Maximum der Kurve B beendet
werden. In anderen Beispielen kann das Maximum der Kurven A oder
B als der Endpunkt des Ätzprozesses
betrachtet werden. Es kann jedoch eine beliebige andere geeignete Beziehung
der Kurven A und B zu dem Ätzvorgang ermittelt
werden, beispielsweise durch Ausführen einer oder mehrerer Testläufe, um
so die entfernte Dicke der Ätzindikatorschicht
320 im Vergleich zur Signalintensität zu bestimmen.
Folglich ermöglicht es die vorliegende Erfindung,
den Ätzvorgang
zur Ätzung
des Grabens 318 in zuverlässiger Weise so zu steuern,
dass eine Tiefe und damit die elektrischen Eigenschaften einer entsprechenden
Kupferleitung innerhalb den gesetzten Toleranzen einstellbar sind,
wodurch Widerstandvariationen der entsprechenden Kupferleitungen
reduziert werden.
Weitere Modifikationen und Variationen
der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser
Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung als lediglich
anschaulich und für
die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des
Ausführens
der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind die
hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die
gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
zu betrachten.