DE10255850B4

DE10255850B4 - Verfahren zur Herstellung von Halbleiterstrukturen unter Ausbildung einer Signalschicht zur Generierung charakteristischer optischer Plasmaemissionen und integrierter Schaltungschip

Info

Publication number: DE10255850B4
Application number: DE10255850A
Authority: DE
Inventors: Gunter Grasshoff; Christoph Schwan; Matthias Schaller
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: Advanced Micro Devices Inc
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2022-11-30
Also published as: US20040106284A1; US7005305B2; DE10255850A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur, die mindestens ein elektrisches Bauteil enthält, wobei das Verfahren umfasst:
Ausbilden (500) einer Schicht (210, 300) auf oder in einem Wafer (200, 420), wobei die Schicht ein chemisches Element umfasst, welches eine charakteristische optische Emission verursacht, wenn es mit einem Ätzplasma (260, 415) in Kontakt kommt, wobei das chemische Element keinen primären Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des zumindest einen elektrischen Bauteils hat;
Anwenden (510) eines Ätzplasmas auf die Oberfläche des Wafers; und
Durchführen (530) eines Plasmaätzendpunktprozesses, wenn die charakteristische optische Emission erkannt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ausgebildete Schicht (210, 300) eine Signalschicht ist, die zusätzlich für eine Plasmaätzendpunkterkennung bereitgestellt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich generell auf das Plasmaätzen von Halbleiterstrukturen, und insbesondere auf eine optische Endpunktdetektion während dem Plasmaätzen.
Hersteller in der Elektronikbranche, und im Speziellen die Halbleiterhersteller, verwenden die Plasmatechnologie für eine Vielfalt von Oberflächenmodifizierungen und Ätzanwendungen.
Plasma ist eine Mischung aus elektrisch geladenen und neutralen Partikeln, einschließlich Elektronen, Atomen, Ionen und freien Radikalen, und tritt nur unter bestimmten Umgebungsbedingungen auf. Es reagiert mit einer umfangreichen Vielfalt von Substanzen, und kann zum Säubern, Ätzen, oder zum Beschichten nahezu jeder Oberfläche ohne große Sicherheitsanstrengungen und ohne Flüssigkeitsverschwendung im Zusammenhang mit anderen Prozessen verwendet werden.
Während eines Plasmaätzprozesses ist eine genaue Ätztiefe zu bestimmen, wenn ein integrierter Schaltungschip aufgebaut wird. Ein Integrierter Schaltungschip umfasst untrennbar verbundene Schaltungselemente, die auf oder innerhalb eines geeigneten Substratmaterials fabriziert sind. Die am meisten verwendeten Substrate sind Silizium (Si) oder Galliumarsenid (GaAs) in der Form von Wafern (Scheiben). Ein typischer integrierter Schaltungschip kann zwanzig oder mehr Schichten eines Halbleitermaterials umfassen, eine auf der anderen, wobei eine Mehrfachschichtstruktur gebildet wird. Die Schichten können strukturiert sein, so dass die ganze Struktur verschiedene Schaltungselemente ausbildet, wie etwa Widerstände, Kapazitäten, Viaholes (Lochdurchführungen), etc. Die Genauigkeit der Abmessungen dieser Schaltungselemente kann auch von der Steuerbarkeit eines Plasmaätzprozesses abhängen, und im Speziellen von der Präzision einer Ätztiefenüberwachung.
Ätztiefenüberwachung, in ihrer einfachsten Form, kann das Kalibrieren eines Prozesses und dann eine einfache zeitliche Planung eines Ätzdurchganges umfassen. Dennoch ist unter Verwendung dieses Verfahrens von Durchlauf zu Durchlauf eine Ätzratenvariation von bis zu zehn Prozent zu erwarten. Eine genauere Ätztiefe kann durch das Ätzen von drei Viertel der vorausgesagten Ätzzeit, die Messung der Ätztiefe und dann das Voraussagen der benötigten Zeit erreicht werde die zum Beenden des Ätzens erforderlich ist. Dies hat den Hauptnachteil, zeitaufwändig und deshalb teuer zu sein.
Gewöhnliche Ätztiefenüberwachungstechniken basieren auf dem Effekt, dass in den meisten Fällen eine Änderung der spektralen Zusammensetzung des Lichtes, das durch das Plasma ausgesendet wird, auftritt, wenn das Plasma mit der darunterliegenden Oberfläche während des Ätzprozesses in Kontakt kommt. Im wesentlichen reagiert die optische Plasmaemission auf die Änderung in der chemischen Zusammensetzung und/oder der elektrischen Eigenart der Entladung, welche durch die Berührung einer Grenzschicht verursacht wird.
Für eine zunehmende Anzahl von Prozessanwendungen stellt dieser Ansatz keine zuverlässige Erkennungsperformance bereit. Darüber hinaus können verschiedene Ätzprozesse notwendig sein, um Schichten mit einem sehr geringen Verhältnis von ätzausgesetzten Flächen zu Gesamtsubstratflächen zu strukturieren. Ferner kann durch das Ätzen von großen Flächen mit anderen Ätzeigenschaften ein Endpunktsignal gestört werden. Andere Schwierigkeiten können auftreten, wenn Stapel von Materialien, welche in ihrer chemischen Zusammensetzung keine oder geringe Unterschiede aufweisen, geätzt werden, so dass der Vorgang des Durchlaufens dieser Grenzfläche sehr schwierig zu erkennen ist.
Eine einfache Mehrfachschichtstruktur ist in 1 abgebildet. Wie zu sehen ist, umfasst die Mehrfachschichtstruktur verschiedene Schichten eines Dielektrikummaterials 110. Metallschichten sind auf den Grenzflächen 100, zwischen den Dielektrikumschichten 110, ausgebildet. Die Metallschichten sind durch Viaholes 120, 130, 160 vertikal miteinander verbunden. Die Viaholes können so angeordnet werden, dass ein elektronisches Bauteil 140, welches in die Mehrfachschichtstruktur eingebettet ist, vertikal verbunden ist, zum Beispiel, um das elektronische Bauteil 140 mit der obersten Metallschicht zu verbinden.
Weiter ist ersichtlich, dass das Viahole 160 vergrößert ist, um eine noch detailliertere Ansicht zu bereiten. Die vergrößerte Darstellung 170 veranschaulicht, dass das Viahole 160 nicht exakt auf der Metallschicht 190 endet, so dass das Viahole 160 in seine tiefere Dielektrikumschicht verschoben oder versetzt ist. Diese Verschiebung 180 des Viaholes 160 kann durch herkömmliche, ungenaue Ätzendpunktprozesse verursacht sein, infolge der oben beschriebenen Probleme, die mit den bekannten Ätztiefenüberwachungstechniken auftreten.
Es ist anzumerken, dass ein ungenauer Ätzendpunktprozess nicht nur die Abmessungen des dargestellten Viaholes 160 beeinflusst. Darüber hinaus können alle elektronischen Bauteile, die in einer beliebigen Struktur eingebettet sind, beeinflusst werden.
Ein ungenauer Ätzendpunktprozess ist nachteilig, weil es schwierig ist, für ungenau geätzte Strukturen elektronische Bauteilparameter vorauszusagen und es deshalb schwierig ist, das Verhalten des Schaltkreises vorherzubestimmen. Außerdem können z.B. ungenau geätzte Bauteile eine Neuproduktion oder ein Neudesign des integrierten Schaltungschips erfordern oder sogar es erfordern, dass zusätzliche Schaltungen zum Kalibrieren kritischer Parameter bereitgestellt werden müssen.
JP 06 244 150 A beschreibt ein Verfahren zum Erkennen von Ätzendpunkten. Das Verfahren bezieht sich auf eine Herstellung eines Schichtaufbaus auf einem Substrat durch Beobachtung von Lichtemissionen, die durch Wasserstoffatome in einem Plasma verursacht werden. Ein Ätzendpunkt wird basierend auf einer Änderung der Lichtemissionsintensität der Wasserstoffatome detektiert. Es wurde beobachtet, dass Wasserstoffatome ein Spektrum in Wellenlängen von 656 nm, 486 nm oder 434 nm verursachen. Für den Schichtaufbau wird z. B. ein SOG-Film (enthält Wasserstoffatome) auf einen SiO-Film (enthält keine Wasserstoffatome) aufgebracht.
DE 37 86 851 T2 bezieht sich auf eine Feststellung des Endpunktes beim Graben-Ätzen, durch laserinduzierte Fluoreszenz. Das Verfahren beschreibt eine automatische Steuerung des Ätzens eines Wafers mit integrierten Schaltungen in einer Kammer eines Ätzreaktors mit reaktiven Ionen, wenn eine gegebene Schicht des Wafers zu einer darunter liegenden zweiten Schicht durchgeätzt wird. Die gegebene Schicht weist eine unterschiedliche Konzentration eines Minoritätsbestandteils auf. Beim Ätzen gelangt der Minoritätsbestandteil in das Plasma, wodurch sich die Konzentration dieses Minoritätsbestandteils in dem Plasma ändert. Ein Laserstrahl wird auf das in der Kammer befindliche Plasma gerichtet, wobei der Laserstrahl eine erste Frequenz besitzt, die dazu geeignet ist, den Minoritätsbestandteil in dem Plasma auf einen ihrer angeregten Energiezustände zu pumpen. Der im angeregten Energiezustand befindliche gepumpte Minoritätsbestandteil sendet eine zweite Strahlungsfrequenz aus, wenn dieser Minoritätsbestandteil in einen niedrigeren Energiezustand übergeht. Wenn eine Änderung des Intensitätsparamenters der zweiten Strahlungsfrequenz festgestellt wird, wird ein Steuersignal erzeugt, wobei in Übereinstimmung mit dem Steuersignal in der Kammer eine Plasmaerzeugung geändert wird.
US 5,877,407 beschreibt einen Plasmaätzendpunktdedektierprozess. Ein Endpunkt des Plasmaätzprozesses wird unter Verwendung einer akustischen Zelle detektiert, die an einer Plasmareaktorkammer gefestigt ist. Während des Plasmaätzprozesses fließt ein Gasanteil von der Reaktorkammer in die akustische Zeile, wobei die akustischen Signale periodisch durch den Gasfluss übertragen werden. Dabei wird eine erste Geschwindigkeit der akustischen Signale in Verbindung mit einem Ätzen einer ersten Materialschicht detektiert. Danach wird der Endpunkt des Ätzplasmas detektiert indem eine Änderung der ersten Geschwindigkeit in eine zweite Geschwindigkeit festgestellt wird.
Die vorliegende Erfindung ist auf verschiedene Verfahren und Systeme ausgerichtet, die einige oder alle der zuvor genannten Probleme lösen oder zumindest reduzieren kann.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schicht in oder auf einem Wafer zur Herstellung einer Halbleiterstruktur bereitzustellen, wobei die verbesserte Schicht eine verbesserte Detektierbarkeit eines Ätzendpunktes in einem Ätzendpunktprozess bewirkt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
Es ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung einen integrierten Schaltungschip mit einer Halbleiterstruktur bereitzustellen, die durch eine Verwendung der oben definierten Schicht hergestellt werden kann.
In einer Ausgestaltung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur bereit gestellt, die mindestens ein elektrisches Bauteil enthält. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer Schicht auf oder in einem Wafer, wobei die Schicht ein chemisches Element umfasst, welches eine charakteristische optische Emission verursacht, wenn es mit einem Ätzplasma in Kontakt kommt. Das chemische Element hat keinen primären Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des zumindest einen elektrischen Bauteils. Das Verfahren umfasst weiterhin die Anwendung eines Ätzplasmas auf die Oberfläche des Wafers und die Durchführung eines Plasmaätzendpunktprozesses, wenn die charakteristische optische Emission erkannt wird. Die ausgebildete Schicht ist eine Signalschicht, die zusätzlich für eine Plasmaätzendpunkterkennung bereitgestellt ist.
In einer weiteren Ausgestaltung wird ein integrierter Schaltungschip bereitgestellt, welcher eine Halbleiterstruktur aufweist, die mindestens ein elektrisches Bauteil enthält. Die Halbleiterstruktur wird durch das Ausbilden einer Schicht auf oder in einem Wafer, durch die Anwendung eines Ätzplasmas auf die Oberflache des Wafers und das Durchführen eines Plasmaätzendpunktprozesses hergestellt, wenn eine charakteristische optische Emission erkannt wird. Die Schicht umfasst ein chemisches Element, welches die charakteristische optische Emission verursacht, wenn es mit dem Ätzplasma in Kontakt kommt. Das chemische Element hat keinen primären Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des mindestens einen elektrischen Bauteils. Die ausgebildete Schicht ist eine Signalschicht, die zusätzlich für eine Plasmaätzendpunkterkennung bereitgestellt ist. In einer anderen Ausgestaltung ist die ausgebildete Schicht, welche das chemische Signalelement umfasst, eine Stoppschicht, die einen Ätzplasmawiderstand aufweist, der eine geringere Plasmaätzrate verursacht, wobei das chemische Signalelement Strontium ist.
In einer anderen Ausgestaltung wird ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterstrukturen bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer Schicht, wobei die Schicht ein chemisches Signalelement umfasst, wobei das chemische Signalelement eine charakteristische optische Emission verursacht, wenn es mit einem Ätzplasma in Kontakt kommt. Das Verfahren umfasst weiterhin die Anwendung eines Ätzplasmas auf die Oberfläche des Wafers und das Durchführen eines Plasmaätzendpunktprozesses, wenn die charakteristische optische Emission erkannt wird. Die ausgebildete Schicht, welche das chemische Signalelement umfasst, ist eine Stoppschicht, die einen Ätzplasmawiderstand aufweist, der eine geringere Plasmaätzrate verursacht, wobei das chemische Signalelement Strontium ist.
Die Beschreibung beschreibt ferner eine Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleiterstruktur. Die Vorrichtung ist zum Ausbilden einer Stoppschicht angepasst, welche einen Ätzplasmawiderstand aufweist, der eine geringe Plasmaätzrate bewirkt. Die Stoppschicht umfasst ein chemisches Signalelement, wobei das chemische Signalelement eine charakteristische optische Emission verursacht, wenn es in Kontakt mit einem Ätzplasma kommt. Die Stoppschicht dient zur Verwendung in einem Plasmaätzprozess, um einen Plasmaätzendpunkt zu erkennen, wenn die charakteristische optische Emission erkannt wird.
Die Beschreibung beschreibt des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer Signalschicht auf oder in einem Wafer. Die Signalschicht ist eine strukturierte Signalschicht. Das Verfahren umfasst weiterhin die Anwendung eines Ätzplasmas auf die Oberfläche des Wafers und die Durchführung eines Plasmaätzendpunktprozesses, wenn eine charakteristische optische Emission erkannt wird, wobei die charakteristische optische Emission durch ein chemisches Element der strukturierten Signalschicht verursacht wird, wenn das chemische Element mit dem Ätzplasma in Kontakt kommt.
Die Beschreibung beschreibt außerdem eine Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleiterstruktur. Die Vorrichtung ist angepasst zum Ausbilden einer strukturierten Signalschicht auf oder in einem Wafer, Anwenden eines Ätzplasmas auf die Oberfläche des Wafers, und Durchführen eines Plasmaätzendpunktprozesses, wenn eine charakteristische optische Emission erkannt wird. Die strukturierte Signalschicht umfasst ein chemisches Element, welches die charakteristische optische Emission verursacht, wenn es mit dem Ätzplasma in Kontakt kommt. Die strukturierte Signalschicht dient zur Verwendung in einem Plasmaätzprozess zum Erkennen eines Plasmaätzendpunktes, wenn die charakteristische optische Emission erkannt wird.
Die Beschreibung beschreibt ferner eine Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleiterstruktur, welche mindestens ein elektrisches Bauteil aufweist, bereitgestellt. Die Vorrichtung ist zum Ausbilden einer Signalschicht auf oder in einem Wafer angepasst, wobei die Signalschicht ein chemisches Element umfasst, welches eine charakteristische optische Emission verursacht, wenn es mit einem Ätzplasma in Kontakt kommt. Das chemische Element hat keinen primären Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des mindestens einen elektrischen Bauteils. Die Signalschicht dient zur Verwendung in einem Plasmaätzprozess, um einen Plasmaätzendpunkt zu erkennen, wenn die charakteristische optische Emission erkannt wird.
Die Beschreibung beschreibt des Weiteren eine Plasmaätzvorrichtung zum Plasmaätzen eines Wafers, der mindestens ein elektrisches Bauteil aufweist, in einem Halbleiterstrukturherstellungsprozess. Die Plasmaätzvorrichtung umfasst einen Plasmagenerator zur Generierung eines Ätzplasmas, welches auf die Oberfläche des Wafers angewendet wird, einen optischen Detektor zur Erkennung optischer Plasmaemissionen und eine Steuereinheit zur Einleitung eines Plasmaätzendpunktprozesses. Der optische Detektor ist zum Erkennen einer charakteristischen optischen Emission konfiguriert, welche durch ein chemisches Element aus einer Signalschicht verursacht wird, wenn das chemische Element mit dem Ätzplasma in Kontakt kommt. Das chemische Element hat keinen primären Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des mindestens einen elektrischen Bauteils. Die Steuereinheit ist konfiguriert, um den Plasmaätzendpunktprozess einzuleiten, wenn die charakteristische optische Emission erkannt wird.
Die beiliegenden Zeichnungen sind in die Beschreibung eingefügt und bilden ein Teil der selben, um die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. Die Zeichnungen sind nicht dahingehend auszulegen, die Erfindung nur auf die illustrierten und beschriebenen Beispiele, wie die Erfindung ausgeführt und verwendet werden kann, einzuschränken. Weitere Merkmale und Vorteile werden nachfolgend in der weiteren genaueren Beschreibung der Erfindung, wie in den beiliegenden Zeichnungen verdeutlicht, ersichtlich, worin:
1 eine Querschnittsdarstellung einer herkömmlichen Mehrfachschichtstruktur zeigt;
2 mehrere Schichtstrukturen in einer querschnittlichen Darstellung zeigt, worin entsprechend zu einer Ausgestaltung jede Darstellung eine Phase in dem Strukturherstellungsprozess zeigt;
3 weitere Schichtstrukturen in einer querschnittlichen Darstellung zeigt, worin entsprechend zu einer anderen Ausgestaltung jede Darstellung eine Phase eines Strukturherstellungsprozesses zeigt;
4 eine Plasmaätzvorrichtung entsprechend einer weiteren Ausgestaltung zeigt; und
5 ein Ablaufdiagramm zum Darstellen eines Strukturherstellungsprozesses entsprechend einer anderen Ausgestaltung ist.
Die veranschaulichten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die Figurzeichnungen beschrieben, wobei gleiche Elemente und Strukturen mit gleichen Referenznummern gekennzeichnet werden.
Nimmt man nun auf die Zeichnungen Bezug, so stellen 2a–2c verschiedene Strukturherstellungsschritte, um eine Halbleiterstruktur aufzubauen, dar. 2a ist eine querschnittliche Darstellung eines Wafers 200, der verschiedene Schichten 210, 220, 230 aufweist, wobei der Wafer 200 als Basis verwendet wird. Schicht 210 ist eine Signalschicht, welche ein chemisches Element umfasst, das eine charakteristische optische Emission hervorruft, wenn das chemische Element mit einem Ätzplasma in Kontakt kommt.
Die Signalschicht 210 ist eine zusätzliche Schicht, die im Wesentlichen keinen Einfluss auf elektrische Bauteile hat, welche im Weiteren in die Struktur eingebettet sind. Das chemische Element kann so ausgewählt werden, dass sie eine charakteristische optische Emission aufweist, die kein überlappendes Spektrum mit einem Spektrum einer optischen Emission aufweist, die durch ein anderes chemisches Element, das plasmageätzt wird, bewirkt wird. Das chemische Element kann im Weiteren so ausgewählt werden, dass es keine elektrische Degradierung einer elektrischen Leitfähigkeit bewirkt und dass es zwischen anderen Schichten des Wafers keine Mobilität besitzt. Die Signalschicht 210 kann z.B. aus Strontium oder strontiumdotiertem Silizium oder anderen Materialien bestehen.
Die Schicht 220 befindet sich auf der Signalschicht 210 und kann aus einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder jedes andere Material, hergestellt sein, welches eine hohe oder niedrige Dielektrizitätskonstante aufweist, wie es bei entsprechenden spezifischen Anwendungen erforderlich ist. Die Schicht des dielektrischen Materials 220 ist von einer Schicht aus Fotolack-Material 230 bedeckt, entweder aus einem positiven oder negativen Fotolack-Material. Es ist ersichtlich, dass die Schicht aus dem Fotolack-Material 230 eine Lücke 250 umfasst. Diese Lücke kann durch Belichten der Fotolackmaterialschicht 230 mit ultraviolettem Licht durch eine Layoutmaske generiert worden sein. In der vorliegenden Ausführungsform wird die strukturierte Fotolack-Schicht 230 mit der darin ausgebildeten Lücke 250 dazu verwendet, um ein Viahole in die Schicht des dielektrischen Materials 220 plasmazuätzen.
Es ist anzumerken, dass das Viaholebeispiel ausgewählt wurde, um die Funktion der Signalschicht 210 in einem Halbleiterstrukturherstellungsprozess zu beschreiben. 2a bis 2c stellen dar, wie ein Viahole in eine Schichtstruktur unter Verwendung einer Signalschicht eingebettet wird.
Das dielektrische Material, das nicht durch den Fotolack bedeckt ist, wird, wenn die oben beschriebene Halbleiterstruktur plasmageätzt wird, abgetragen, so lange das Ätzplasma 260 keinen Kontakt mit der Signalschicht 210 hat. Wenn das Ätzplasma 260 die Signalschicht 210 erreicht hat, verursacht das chemische Element der Signalschicht 210, die charakteristische optische Emission, welche durch einen Sensor erkannt werden kann, der speziell zum Erkennen optischer Plasmaemissionen angepasst worden sein kann.
Eine erkannte vordefinierte charakteristische optische Plasmaemission leitet einen Plasmaätzendpunktprozess entsprechend einer dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Ausgestaltung ein, d.h. der Plasmaätzendpunktprozess beendet die Anwendung des Ätzplasmas. Nachdem der Plasmaätzendpunktprozess die Anwendung des Ätzplasmas 260 auf die Oberfläche des Wafers beendet hat, ist die Schicht aus Fotolackmaterial 230 abgetragen. 2b illustriert das Ergebnis der oben beschriebenen Prozedur, wobei die geätzte Lücke 250 zum Ausgestalten eines Viaholes verwendet werden kann. Die Lücke 250 wird zur Generierung des Viaholes mit einem leitfähigen Material gefüllt, das zum Verbinden einer Metallleitung mit der Metallschicht 280 (gezeigt in 2c) verwendet werden kann, die auf die Struktur angewendet wird.
Wird nun zu den 3a–3c übergegangen, im Speziellen zu 3a, so wird im Folgenden eine weitere Anwendung der oben erwähnten Signalschicht 210 entsprechend einer anderen Ausführungsform beschrieben werden.
Wiederum wird ein Ätzplasma 260 auf die Halbleiterstruktur von 3a angewendet. Die Halbleiterstruktur von 3a ist verglichen mit den Halbleiterstrukturen von 2 im Wesentlichen von der gleichen Schichtkonstruktion. Jedoch bedeckt die Fläche der Signalschicht 300 nicht die ganze Waferfläche, weil die Signalschicht 300 eine strukturierte Signalschicht ist.
Die strukturierte Signalschicht 300 kann durch die Durchführung eines Ionenimplantationsprozesses unter Verwendung der strukturierten Fotolackschicht 230 als eine Maske ausgebildet werden. In einer Ausgestaltung können sowohl die Signalschicht 300 als auch die Schicht aus dem dielektrischen Material 220 strukturiert sein, um in den Randregionen des Wafers bedeckt zu sein. In einem Folgeprozessschritt kann dann die eigentliche Strukturierung („Patterning") der Signalschicht durchgeführt werden, um die Signalisierungsfunktion sogar dort zu ermöglichen, wo die Strukturen extrem kleine Ausmaße aufweisen.
Das Ätzplasma 260 wird auf die Oberfläche der Halbleiterstruktur angewendet und das Ätzplasma trägt das dielektrische Material, welches nicht durch den Fotolack 230 bedeckt ist, ab. Wenn das Ätzplasma 260 die strukturierte Signalschicht 300 berührt, verursacht das chemische Element eine charakteristische optische Emission. Die charakteristische optische Emission wird durch einen Sensor erkannt, der zum Erkennen des Wellenlängenspektrums, das durch die charakteristische optische Emission bewirkt wird, angepasst ist.
3b zeigt die Halbleiterstruktur nach der Anwendung des Ätzplasmas und nach dem Abtragen des Fotolackmaterials 230. Das in der dielektrischen Schicht 220 geätzte Viahole 250, dargestellt in 3b, wird dann mit einem leitfähigen Material 270 gefüllt, z.B. um eine Metallschicht 280 zu kontaktieren. Das Ergebnis des beschriebenen Prozesses ist in 3c dargestellt und der Prozess kann sequenziell zum Erzeugen einer Mehrfachschichtstruktur wiederholt werden.
In der vorliegenden Ausgestaltung wird das in 3a dargestellte Ätzplasma 260 abgeschaltet, wenn das Ätzplasma die strukturierte Signalschicht 300 erreicht hat. In einer anderen Ausgestaltung kann der Plasmaätzprozess beendet werden, wenn die Signalschicht 210 oder die strukturierte Signalschicht 300 durch das Ätzplasma vollständig abgetragen wurden. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Plasmaätzprozess weitergeführt werden, wenn das Ätzplasma die Signalschicht oder die strukturierte Signalschicht berührt und danach eine reduzierte Plasmaätzrate verwendet wird.
Es ist in 3b ersichtlich, dass die strukturierte Signalschicht 300 dort liegt, wo das Viahole 250 entsprechend der vorliegenden Ausgestaltung platziert werden soll. In einer anderen Ausgestaltung kann die Signalschicht strukturiert sein, um eine Fläche zu definieren, in welcher die elektrischen Schaltkreise und Bauteile hochintegriert sind. Diese Hochintegrationsfläche kann eine reduzierte Ätzrate verglichen mit Flächen einer niedrigeren Integration aufweisen. Um ein verfrühtes Beenden des Plasmaätzprozesses zu vermeiden, werden die Flächen, die eine geringere Ätzrate aufweisen, so strukturiert, dass diese vollständig über eine unterliegende Signalschicht verfügen. Eine charakteristische optische Emission, die durch die Signalschicht hervorgerufen wird, beendet dann die Anwendung des Ätzplasmas, wenn das Ätzplasma mit dem chemischen Element der Signalschicht in Kontakt kommt.
Es ist anzumerken, dass die genannten Signalschichten auch aus chemischen Verbindungen hergestellt sein können, welche die charakteristischen optischen Emissionen verursachen.
Wird nun zu 4 übergegangen, so wird eine Plasmaätzvorrichtung, welche zum Erkennen der obengenannten charakteristischen optischen Emission angepasst werden kann, gezeigt.
Die Plasmaätzvorrichtung umfasst im Wesentlichen zwei Elektroden 405, 410, welche in einem Plasmagenerierreaktor 400 montiert sind, wobei eine Elektrode 410 mit einem Erdungspotenzial verbunden und die andere Elektrode 405 mit einem RF-Generator 470 verbunden ist (RF: Radiofrequenz). Der RF-Generator 470 ist angepasst zum Erzeugen einer RF-Leistung, um ein elektrische Feld über die Elektroden 405 und 410 anzulegen. Der Wafer 420, der plasmageätzt werden soll, wird auf die Elektrode 410 platziert.
Die Plasmaätzvorrichtung umfasst weiterhin ein Gaseingangsventil 450 und ein Gasausgangsventil 430, um einen Gasfluss zum Aufbau einer Gaskonzentration und eines Gasdrucks in dem Plasmagenerierreaktor 400 bereitzustellen. Diese Parameter werden in Abstimmung mit der obengenannten RF-Leistung eingestellt, um in dem Plasmagenerierreaktor 400 eine Umgebung zum Erzeugen des Ätzplasmas 415 zu schaffen. Die Gaseinlass- und -auslassventile 430, 450 und ein optischer Sensor 480 sind mit einer Steuereinheit 460 verbunden. Der optische Sensor 480 ist zum Erkennender obengenannten charakteristischen optischen Plasmaemissionen angepasst.
Die Steuereinheit 460 ist weiterhin mit dem RF-Generator 470 verbunden, um die RF-Leistung, welche auf den Plasmagenerierreaktor 400 angewendet wird, zu steuern. Der Wafer 420 ist auf der Elektrode 410 platziert, weil Ionen, die in dem Plasmafeld 415 vorhanden sind, in Richtung auf die Elektrode 410 und deshalb in Richtung auf den Wafer 420 beschleunigt werden. Die beschleunigten Ionen treffen mit einem hohen Impuls auf die Oberfläche des Wafers und verursachen einen Massentransport weg von der Oberfläche des Wafers. Der Massentransport bewirkt eine optische Emission eines Lichtes, wobei das chemische Element oder die chemische Verbindung der Signalschicht die charakteristische optische Emission in einem vordefinierten Wellenlängenspektrum verursacht, wenn das Ätzplasma mit der Signalschicht in Kontakt kommt. Der optische Sensor 480 ist zum Erkennen dieser Wellenlängen angepasst und die Steuereinheit 460 beendet den Plasmaätzprozess, z.B. durch Steuerung des RF-Generators 470, um die angewendete RF-Leistung zu reduzieren, oder durch Änderung der Gasumgebung in dem Reaktor 400 durch Steuerung eines oder beider Ventile 430, 450.
Wird nun zu 5 übergegangen, so veranschaulicht das Ablaufdiagramm einen Strukturherstellungsprozess entsprechend einer illustrierten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Wie darin beschrieben, umfasst der veranschaulichte Strukturherstellungsprozess in Schritt 500 die Ausbildung einer Signalschicht auf oder in einem Wafer. Es ist zu bemerken, dass in einer weiteren Ausgestaltung der Schritt 500 des Strukturherstellungsprozesses einen Ionenimplantationsprozess umfassen kann, wobei das chemische Element der Signalschicht in die Struktur implantiert wird. In einer Ausgestaltung ist die generierte Signalschicht über die gesamte Waferoberfläche ausgebreitet, wobei Signalschichten, die entsprechend einer anderen Ausführungsform erzeugt worden sind, wie oben beschrieben strukturiert werden.
Der zweite Schritt des Strukturherstellungsprozesses ist Schritt 510, wobei ein Ätzplasma 260, 415 auf die Oberfläche des Wafers 200, 420 angewendet wird. Das Ätzplasma verursacht einen Massentransport weg von der Oberfläche des Wafers. Wenn das Ätzplasma die Signalschicht erreicht, verursacht das chemische Element der Signalschicht eine charakteristische optische Emission in einem vordefinierten Spektrum. Der optische Sensor 480 der Plasmaätzvorrichtung erkennt die optische Emission entsprechend des Schrittes 520 des Strukturherstellungsprozesses. Die Steuereinheit 460 der Plasmaätzvorrichtung leitet dann in Schritt 530 einen Plasmaätzendpunktprozess ein.
In der vorliegenden Ausgestaltung beendet der Plasmaätzendpunktprozess die Anwendung des Ätzplasmas auf die Oberfläche des Wafers. In einer weiteren Ausgestaltung stellt der Plasmaätzendpunktprozess die momentane Ätzrate auf eine reduzierte Ätzrate ein. Die Ätzrate beschreibt eine Ätzabtragung pro Ätzprozesszeit.
Viele Kenngrößen (Parameter) können während des Plasmaätzendprozesses verändert werden. Im Wesentlichen können diese Kenngrößen der Gasfluss, die Gaskonzentration, der Druck und die RF-Leistung sein. Entsprechend einer anderen Ausführungsform umfasst Schritt 530 des Strukturherstellungsprozesses eine Einstellung (Justierung) von einem oder mehreren der obengenannten Kenngrößen.
In noch einer anderen Ausführungsform umfasst Schritt 500 des Strukturherstellungsprozesses die Ausbildung einer Stoppschicht in einem Wafer. Die Stoppschicht stellt vorwiegend einen Ätzplasmawiderstand bereit, welche eine niedrige Plasmaätzrate bewirkt. Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform sind die Schritte 510 bis 530 des Strukturherstellungsprozesses ähnlich zu denen der oben beschriebenen Ausführungsformen, weichen aber darin ab, dass das chemische Element der Stoppschicht eine charakteristische optische Emission verursacht, wenn es mit einem Ätzplasma in Kontakt kommt. Auf diese Weise agiert die Stoppschicht dieser Ausführungsform als eine Signalschicht der oben beschriebenen Ausführungsformen.
Angenommen, eine Halbleiterstruktur umfasst eine konventionelle Stoppschicht. Schritt 500 des Strukturherstellungsprozesses kann dann das Implantieren des chemischen Elementes umfassen, so dass die konventionelle Stoppschicht nun als Signalschicht verwendet werden kann.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich ist, können alle beschriebenen Ausführungsformen- in vorteilhafter Weise eine verbesserte Plasmaätzgenauigkeit wegen der verbesserten Genauigkeit der optischen Endpunkterkennung bereit stellen.
Die oben beschriebene Technik stellt sogar den Vorteil bereit, dass bei sehr kleinen offenliegenden Flächen die optische Endpunkterkennung kein gestörtes Endpunktsignal liefert.
Zusätzlich vereinfacht die Tatsache, dass die oben beschriebene Technik das Signalrauschverhältnis vergrößert, die Herstellung. Dies ist möglich, weil die Anordnungen hereinkommende Schichtdickenschwankungen und Änderungen der effektiven Ätzrate des Prozesses kompensiert.
Folglich wird das Endpunktsignal, auch wenn verschiedene Ätzprozesse zum Strukturieren von Schichten verwendet werden, wobei das Verhältnis von ätzausgesetzten Flächen zu der Substratgesamtfläche sehr gering ist, beim Ätzen von großen Flächen mit anderen Ätzcharakteristiken nicht gestört.
Des Weiteren kann die Anordnung den zusätzlichen Vorteil aufweisen, dass ein reduzierter Einfluss auf die Endpunkterkennungsdurchführung durch andere, große Flächen mit einer anderen Ätzrate bereitgestellt wird. Oft werden diese Flächen (z.B. Waferrandausschlusszonen) mit einer höheren Ätzrate als im Rest der Waferoberfläche geätzt. Durch Anwenden einer strukturierten Signalschicht wird vermieden, dass ein Plasmaätzprozess beendet wird, wenn die Ätzfront früher auf die Grenzfläche schlägt als der Rest des Wafers.
Durch Anwendung des Signalschichtprinzips und das Bereitstellen einer strukturierten Signalschicht in den später störenden Flächen (z.B. Beschichten der Waferrandausschlusszonen während des Abscheidungsprozesses und die Durchführung eines separaten Abtragens in den Waferrandausschlusszonen) kann dies den Einfluss der unerwünschten Waferflächen auf die Endpunkterkennung vermeiden.
Die chemischen Elemente und Verbindungen können basierend auf dem Wissen der Emissionslinien/Bänder der Elemente und der Emissionseigenschaften der Prozesschemie in diesem spektralen Bereich ausgewählt werden, um eine Überlappung der spektralen Bereiche zu vermeiden. Des Weiteren kann die Auswahl des Elements/der Verbindung auf der gegenseitigen Verträglichkeit der Signalschichtmaterialien bezüglich elektrischer und technologischer Eigenschaften bei der Anwendung der Vorrichtung basieren. Es hat sich gezeigt, dass Strontium ein passendes chemisches Element zur Verwendung in den Ausführungsformen ist. Es ist jedoch zu beachten, dass auch andere Elemente stattdessen verwendet werden können.
Durch Anwendung der Signalschicht auf den Wafer kann das Signalrauschverhältnis für die Endpunkterkennung dramatisch verbessert werden. Folglich kann dieses Verfahren eine optische Endpunkterkennung für Ätzanwendungen erlauben, für die sie zuvor wegen des geringen offenen Flächenverhältnisses nicht möglich war. Des Weiteren können die Ausführungsformen die Robustheit der Endpunkterkennung für gegebene Prozesse verbessern.
Es ist weiter zu erwähnen, dass die Verwendung der Signalschicht es in vorteilhafter Weise erlaubt, eine gewünschte Ätztiefe für gleichförmige Materialien in den funktionalen Schichten mittels der Endpunkterkennung präzise zu erreichen.
Während die Erfindung mit Hinsicht auf die physikalischen Ausführungsformen, die in Übereinstimmung damit konstruiert worden sind, beschrieben wurde, wird es für Fachleute ersichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen, Variationen und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung im Licht der obigen Lehren und innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche durchgeführt werden können, ohne von der Idee und dem beabsichtigten Umfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus sind solche Bereiche, in denen davon ausgegangen wird, dass sich Fachleute auskennen, hier nicht beschrieben worden, um die Erfindung nicht unnötigerweise zu verdunkeln. Dementsprechend ist zu verstehen, dass die Erfindung nicht durch die spezifischen illustrativen Ausführungsformen, sondern nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche eingeschränkt wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur, die mindestens ein elektrisches Bauteil enthält, wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden (500) einer Schicht (210, 300) auf oder in einem Wafer (200, 420), wobei die Schicht ein chemisches Element umfasst, welches eine charakteristische optische Emission verursacht, wenn es mit einem Ätzplasma (260, 415) in Kontakt kommt, wobei das chemische Element keinen primären Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des zumindest einen elektrischen Bauteils hat; Anwenden (510) eines Ätzplasmas auf die Oberfläche des Wafers; und Durchführen (530) eines Plasmaätzendpunktprozesses, wenn die charakteristische optische Emission erkannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgebildete Schicht (210, 300) eine Signalschicht ist, die zusätzlich für eine Plasmaätzendpunkterkennung bereitgestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Signalschicht eine Ätzstoppschicht ist, und der Plasmaätzendpunktprozess das Ätzplasma auf der Oberfläche des Wafers beendet, wenn das Ätzplasma mit der Ätzstoppschicht in Kontakt kommt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das chemische Element Strontium ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das chemische Element ausgewählt wird, um eine charakteristische optische Emission mit einem charakteristischen optischen Spektrum zu bewirken, das nicht mit einem Spektrum einer optischen Plasmaemission überlappt, die durch ein anderes in dem Wafer vorhandenes chemisches Element hervorgerufen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das chemische Element ausgewählt wird, um keine elektrische Degradierung der elektrischen Leitfähigkeit in dem Wafer zu verursachen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das chemische Element ausgewählt wird, um keine Beweglichkeit zwischen anderen Schichten des Wafers zu haben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die charakteristische optische Emission eine optische Emission ist, die ein charakteristisches Spektrum aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das charakteristische Spektrum im Wesentlichen aus einer Wellenlänge besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Signalschicht eine strukturierte Signalschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die strukturierte Signalschicht in einer vordefinierten Fläche des Wafers angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die vordefinierte Fläche ausgewählt wird, um eine Fläche mit einer reduzierten Plasmaätzrate zu sein.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterstruktur eine Mehrfachschichtstruktur ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausbilden der Signalschicht die Abscheidung der Signalschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausbilden der Signalschicht die Durchführung eines Ionenimplantationsprozesses zum Ausbilden der Signalschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ätzplasma auf die Oberfläche des Wafers angewendet wird, um mit einer definierten Ätzrate plasmazuätzen, wobei der Plasmaätzendpunktprozess eine Reduzierung der Ätzrate umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ätzplasma auf die Oberfläche des Wafers durch Einstellung von Plasmaätzparametern angewendet wird, wobei der Plasmaätzendpunktprozess die Einstellung mindestens eines der Plasmaätzparameter umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Plasmaätzrate der Signalschicht im Wesentlichen die gleiche ist wie die Plasmaätzrate des zu der Signalschicht benachbarten Materials.
Verfahren zur Herstellung von Halbleiterstrukturen, wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden (500) einer Schicht (210, 300), wobei die Schicht ein chemisches Signalelement umfasst, wobei das chemische Signalelement eine charakteristische optische Emission verursacht, wenn es mit einem Ätzplasma (260, 415) in Kontakt kommt; Anwenden (510) eines Ätzplasmas auf die Oberfläche des Wafers (200, 420); und Durchführen (530) eines Plasmaätzendpunktprozesses, wenn die charakteristische optische Emission erkannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgebildete Schicht (210, 300), welche das chemische Signalelement umfasst, eine Stoppschicht ist, die einen Ätzplasmawiderstand aufweist, der eine geringe Plasmaätzrate verursacht, wobei das chemische Signalelement Strontium ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Ausbilden der Stoppschicht die Durchführung eines Ionenimplantationsprozesses zum Ausbilden der Stoppschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei zum Strukturieren der Stoppschicht Ionen in einem vordefinierten Bereich des Wafers implantiert werden.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Plasmaätzendpunktprozess das Ätzplasma beendet, wenn das Ätzplasma mit dem chemischen Signalelement in Kontakt kommt.
Integrierter Schaltungschip mit einer Halbleiterstruktur, die mindestens ein elektrisches Bauteil enthält, wobei die Halbleiterstruktur durch Ausbilden einer Schicht (210, 300) auf oder in einem Wafer (200, 420), Anwenden eines Ätzplasmas auf die Oberfläche des Wafers und Durchführen eines Plasmaätzendpunktprozesses, wenn eine charakteristische optische Emission erkannt wird, hergestellt ist, wobei die Schicht ein chemisches Element umfasst, welches die charakteristische optische Emission verursacht, wenn es mit dem Ätzplasma in Kontakt kommt, und wobei das chemische Element keinen primären Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des zumindest einen elektrischen Bauteils hat, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgebildete Schicht (210, 300) eine Signalschicht ist, die zusätzlich für eine Plasmaätzendpunkterkennung bereit gestellt ist.
Integrierter Schaltungschip nach Anspruch 22 mit einer Halbleiterstruktur, die entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 17 hergestellt ist.
Integrierter Schaltungschip mit einer Halbleiterstruktur, die mindestens ein elektrisches Bauteil enthält, wobei die Halbleiterstruktur durch Ausbilden einer Schicht (210, 300) auf oder in einem Wafer (200, 420), Anwenden eines Ätzplasmas auf die Oberfläche des Wafers und Durchführen eines Plasmaätzendpunktprozesses, wenn eine charakteristische optische Emission erkannt wird, hergestellt ist, wobei die Schicht ein chemisches Element umfasst, welches die charakteristische optische Emission verursacht, wenn es mit dem Ätzplasma in Kontakt kommt, und wobei das chemische Element keinen primären Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des zumindest einen elektrischen Bauteils hat, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgebildete Schicht (210, 300), welche das chemische Signalelement umfasst, eine Stoppschicht ist, die einen Ätzplasmawiderstand aufweist, der eine geringe Plasmaätzrate verursacht, wobei das chemische Signalelement Strontium ist.
Integrierter Schaltungschip nach Anspruch 24 mit einer Halbleiterstruktur, die entsprechend einem der Ansprüche 18 bis 21 hergestellt ist.