-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strukturieren dielektrischer
Schichten auf Halbleitersubstraten.
-
Um
eine weitere Leistungssteigerung von Mikroprozessoren und Speicherchips
zu erreichen, ist es erforderlich, die Abmessungen der einzelnen
mikroelektronischen Bauelemente wie Kondensatoren oder Transistoren
ständig
weiter zu verringern. Dies ermöglicht
eine höhere
Integrationsdichte auf einer gegebenen Chipfläche sowie eine Verkürzung der
pro Zeiteinheit durchgeführten
Operationen. Um die Integrationsdichte weiter erhöhen zu können, werden
zunehmend verschiedene mikroelektronische Bauelemente in Schichten übereinander
gestapelt. Um die einzelnen mikroelektronischen Bauelemente jeweils
gezielt ansteuern zu können,
sind daher mehrere, übereinander
angeordnete Leiterbahnebenen erforderlich, die jeweils durch isolierende
dielektrische Schichten voneinander getrennt werden. Bei der Herstellung
eines Mikrochips werden die Strukturen der einzelnen Bauelemente
im Allgemeinen durch eine sequentielle Abscheidung von Schichten verschiedener
Materialien erzeugt. Um gezielt Abschnitte dieser Schichten bearbeiten
zu können,
werden Masken aus einen fotoempfindlichen Resist hergestellt, welcher
sich durch lithografische Verfahren strukturieren lässt. Nach
einer Entwicklung des belichteten Fotoresists, bei welcher selektiv
bestimmte Abschnitte einer Schicht des Fotoresists entfernt werden,
werden Abschnitte der unter der Resistmaske angeordneten Schicht freigelegt,
welche dann selektiv bearbeitet werden können. Nach der Bearbeitung
wird die Resistmaske wieder entfernt. Dazu kann die Resistmaske
beispielsweise mit einem geeigneten Lösungsmittel abgelöst werden oder
in einem Sauerstoffplasma verascht werden. Anschließend erfolgt
meist eine nasschemi sche Reinigung, um auf der Oberfläche verbliebene
Reste organischer Materialien sowie Oxidschichten, welche sich im
Sauerstoffplasma gebildet haben, zu entfernen. Bei der Herstellung
eines Kontaktlochs, durch welches eine leitende Verbindung zwischen
einem in einer unteren Ebene angeordneten elektronischen Bauelement,
beispielsweise dem Sourcekontakt eines Transistors, und einer in
einer höheren
Ebene angeordneten Leiterbahn hergestellt werden soll, wird bisher
in der Weise vorgegangen, dass im einfachsten Fall auf der Ebene,
welche den Kontakt eines elektronischen Bauelements umfasst, zu
welchem eine leitende Verbindung hergestellt werden soll, eine isolierende
dielektrische Schicht abgeschieden wird. Auf dieser dielektrischen
Schicht wird eine Schicht aus einem fotoempfindlichen Resist abgeschieden
und die Resistschicht anschließend
abschnittsweise belichtet und in üblicher Weise entwickelt, so
dass die dielektrische Schicht in dem Abschnitt, in welchem das
Kontaktloch eingebracht werden soll, freigelegt wird. Mit einem
geeigneten Plasma, beispielsweise einem fluorhaltigen Plasma, wird
anschließend
das Kontaktloch in die dielektrische Schicht geätzt, so dass am Grund des Kontaktlochs
der Kontakt zum mikroelektronischen Bauelement freigelegt ist. Anschließend wird
der Resistfilm bzw. die Resistmaske in einem Sauerstoffplasma verascht.
Die Veraschung wird bei einer Temperatur von ca. 250°C während ca.
1 bis 1,5 Minuten durchgeführt.
Das Sauerstoffplasma wird aus einem Gasgemisch erzeugt, das im Wesentlichen
aus Sauerstoff besteht, welchem geringe Mengen eines Formiergases
zugesetzt sind. Das Formiergas dient zur Stabilisierung des Plasmas
und besteht meist aus einem Gemisch aus Stickstoff- und Wasserstoffgas.
Der Anteil des Formiergases am Gas zur Erzeugung des Sauerstoffplasmas
wird im Allgemeinen zwischen 3 und 10 Vol.-% gewählt, üblicherweise in einem Bereich
von ca. 5 Vol.-%. Anschließend
erfolgt eine nasschemische Reinigung der strukturierten Oberfläche der
dielektrischen Schicht unter oxidativen Bedingungen, um auf der
Oberfläche
anhaftende organische Reste zu entfernen. Ein übliches Reinigungsmittel ist
beispielsweise H2SO4 in
Kombination mit 03. Der am Grund des Kontaktlochs
freigelegte Kontakt besteht meist aus Silizium, das beispielsweise
mit einer Dotierung versehen ist. Im Sauerstoffplasma bzw. durch
Sauerstoff oder Wasser aus der Umgebungsluft bildet sich daher eine
dünne Oxidschicht
aus, welche zunächst
entfernt werden muss, ehe das Kontaktloch mit einem leitfähigen Material
gefüllt
wird. Dazu wird die Oberfläche
mit stark verdünnter
wässriger
Flusssäure
gereinigt, die zum Beispiel mit NH4F gepuffert
ist. Es wird dabei jedoch nicht nur die Oxidschicht am Grund des
Kontaktlochs entfernt, sondern auch Material an den Seitenwänden des
Kontaktlochs abgetragen. Durch die Reinigung mit gepufferter Flusssäure erfolgt
also eine Aufweitung der in die dielektrische Schicht eingeätzten Strukturen.
Die gleiche Problematik ergibt sich, wenn der Kontakt aus einer
metallischen Schicht aufgebaut ist, beispielsweise für die Erzeugung
von Vias zwischen übereinander
angeordneten Leiterbahnebenen. Auch hier bildet sich auf der Oberfläche des
Kontakts eine Oxidschicht aus, die vor dem Füllen des Kontaktlochs zunächst entfernt
werden muss. Dazu kann Flusssäure als übliches Ätzmittel
verwendet werden.
-
Bei
den gegenwärtig
bei der Herstellung von Mikrochips verwirklichten Strukturgrößen lässt sich
die Aufweitung beherrschen, indem die Prozessbedingungen für die Reinigung
mit verdünnter
Flusssäure
optimiert werden. Dazu kann beispielsweise die Konzentration der
Flusssäure,
die Temperatur, bei welcher die Reinigung durchgeführt wird,
sowie die Dauer der Reinigung optimiert werden. Ferner kann beim
Design des Chips die Aufweitung der Kontaktlöcher oder Gräben berücksichtigt
werden, welche bei der Reinigung mit verdünnter Flusssäure erfolgt.
Die Aufweitung, welche durch die Reinigung mit gepufferter verdünnter Flusssäure in Kauf
genommen werden muss, liegt gegenwärtig im Bereich von ca. 25
bis 38 % gegenüber
dem Ätzmaß. Eine
weitere Verringerung der Aufweitung durch beispielsweise eine Verkürzung der
Reinigungszeit erscheint nicht mehr möglich, da in diesem Fall die
Oxidschicht auf dem Kontakt am Grund des Kontaktlochs nicht mehr in
ausreichendem Maß entfernt
werden kann. Für
die zukünftige
Chiptechnologie ist jedoch die Darstellung einer kritischen Strukturgröße im Bereich
von 90 nm oder darunter gefordert. Eine Berücksichtigung der Aufweitung
der in eine dielektrische Schicht eingebrachten Kontaktlöcher beim
Design des Mikrochips kann dabei nicht mehr erfolgen. Da die Aufweitung
der Kontaktlöcher
unabhängig
von dessen Durchmesser ist, also bei einer Verkleinerung der Strukturen
immer stärker
ins Gewicht fällt,
ist es dringend erforderlich, Wege aufzuzeigen, auf denen auch bei
einer kritischen Strukturgröße von weniger
als 90 nm eine Darstellung von Kontaktlöchern mit der geforderten hohen
Präzision
möglich
ist.
-
Die
US 2002 0076935 A1 betrifft
das anisotrope Ätzen
isolierender Schichten, welche organische Materialien aufweisen.
Gemäß diesem
Verfahren wird zunächst
in einer isolierenden Schicht, welche eine organische Substanz enthält und auf
einem Substrat ausgebildet ist, mindestens eine Öffnung ausgebildet, wobei beim
Ausbilden der Öffnungen
Abscheidungsreste aufgrund des Plasmaätzens möglichst nicht abgeschieden werden.
Das Plasmaätzen
findet in einer Reaktionskammer mit einem Gasgemisch derart statt,
dass der Ätzvorgang
als solcher hochgradig anisotrop erfolgt. Es kann sich dabei um
inerte Gasmischungen oder auch um Gasmischungen handeln, die Fluor
enthalten. Auch Anteile von Wasserstoffbromid und anderen Additiven
sind denkbar. Das Plasmaätzen
der Isolierschicht kann unter Verwendung so genannter Doppelschichtstrukturen als Ätzmaske
erfolgen, wobei eine Hartmaske und eine Resistmaske auf der Hartmaske
vorgesehen sind. Das vorgeschlagene Verfahren beinhaltet unter anderem
den Schritt des Versiegelns beaufschlagter Flächen, vorzugsweise mit porösen Materialien
oder Dielektrika mit niedriger Dielektrizitätskonstante. Auch das Ausbilden einer
Schutzschicht auf den beaufschlagten Flächen während des Schritts des Strukturierens
der Öffnungen im
porösen
Dielektrikum ist vorgesehen.
-
Eine
entsprechende Schutzschicht kann über eine N2/O2-Plasmabehandlung
der beaufschlagten Flächen
durchgeführt
werden.
-
Die
US 6,235,453 B1 betrifft
das Entfernen von Fotoresistmaterialien von dielektrischen Schichten
mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten.
Dabei wird das Entfernen von Fotoresistmaterialien durch Veraschen
und Lösen
vorgeschlagen. Sauerstoffkonzentrationen von unterhalb 5 % werden
angegeben, sowie Behandlungstemperaturen von oberhalb 200°C.
-
Die
US 6,232,237 B1 beschreibt
ein Herstellungsverfahren für
Halbleitereinrichtungen, wobei eine Isolatorschicht mit Silizium-Wasserstoff-Bindungen
ausgebildet wird, wobei eine Resistmaske auf ausgewählten Bereichen
der Isolatorschicht ausgebildet wird, wobei die Isolatorschicht
teilweise entfernt wird, nämlich
in denjenigen Bereichen, die mit der Resistmaske nicht abgedeckt
sind, wodurch Ausnehmungen in der Isolationsschicht ausgebildet
werden. Die Resistmaske wird danach entfernt, wobei ein Veraschungsprozess
unter Verwendung eines Plasmas involviert ist, wobei das Plasma
aus einem Gas erzeugt wird, welches Wasserdampf als Hauptkomponente
enthält.
Die Verfahrenstemperatur liegt im Bereich von 100 bis 300°C.
-
Die
Publikation J. Elektrochem. Soc., 145 (9), Seiten 3240-3246, (1998) betrifft
Reinigungsprozesse auf der Grundlage von Fluorwasserstoff, die für die Reinigung
von Kontaktlöchern
in Siliziden oder dergleichen eingesetzt werden, und zwar im Submikrometerbereich.
Es wird darauf abgestellt, dass eine HF-Reinigung als letzter Reinigungsschritt
notwendig ist, um Kontaktwiderstände
zu reduzieren.
-
Die
US 2001/0005635 A1 betrifft ein Veraschungsverfahren zum Entfernen
organischer Resiststrukturen, wobei die Degradation einer dielektrischen
Schicht aus organischem Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante
verhindert werden soll. Zur Veraschung wird ein Plasmagas verwendet,
welches aus einer Mischung aus Sauerstoff und Stickstoff besteht.
Die Sauerstoffkonzentration liegt dabei im Bereich von oberhalb
0 Vol.-% und unterhalb 10 Vol.-%.
-
Die
US 2002/0164877 A1 betrifft ein Verfahren zum Ausbilden metallgefüllter Öffnungen
in Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante. Zielsetzung des
hier vorgestellten Verfahrens ist das Verhindern von Einbringen
von Verunreinigungen in die Kontaktlöcher. Dabei wird eine Kompositschicht
aus einem dielektrischen Material auf einer Struktur mit einem integrierten
Schaltkreis ausgebildet. Diese Kompositschicht besteht aus einer
dünnen
Barriereschicht eines dielektrischen Materials und einer Schicht
mit geringer Dielektrizitätskonstante
auf der Barriereschicht. Darauf wird dann eine Abdeckschicht aus
einem dielektrischen Material ausgebildet. Auf der Abdeckschicht
wird dann eine Fotoresistmaske ausgebildet und in der Anwesenheit
von UV-Strahlung ausgebacken. Diese Kompositschicht wird dann mittels
der strukturierten Resistmaske in einem Ätzgasgemisch mit Kohlenmonoxid
aber ohne Sauerstoff geätzt.
Die dann neu freigelegten Flächen
oder Oberflächen
des dielektrischen Materials niedriger Dielektrizitätskonstante
werden dann optional verdichtet, um sie zu härten. Dann wird die Resistmaske
unter Verwendung eines Plasmas aus einem neutralen oder reduzierenden
Gas entfernt. Die freigelegten Flächen des dielektrischen Materials
mit niedriger Dielektrizitätskonstante
werden durch einen Sauerstoffplasmaprozess mit niedriger Leistung
passiviert. Das Substrat wird danach mittels eines Lösungsmittels
gereinigt, um Reste vom Ätzprozess
zu entfernen. Es folgt ein Annealingprozess, um das Material mit
niedriger Dielektrizitätskonstante
zu entgasen. Danach folgt eine RF-Reinigung, worauf eine dünne Titanschicht
ausgebildet wird, gefolgt von einer Titannitridschicht. Es entstehen
so beschichtete Öff nungen,
die mit Aluminium, Kupfer oder dergleichen gefüllt werden.
-
Aus
der Publikation Solid State Technology, Seite 107–116, (März 2001)
ist ein Ätzvorgang
für Dielektrika
mit niedriger Dielektrizitätskonstante
bekannt. Dabei werden Prozesse zum Entfernen von Masken beschrieben,
bei denen keine oder ein höchstens
geringe Sauerstoffkonzentration im Ätzplasma vorliegt. Das Entfernen
von während
des Ätzvorgangs
gebildeten polzmeren Seitenwandpassivierungsschichten geht damit einher.
-
Aus
der
US 5,660,681 A ist
ein Verfahren zum Entfernen von Seitenwandschutzschichten bekannt. Dazu
wird ein Ätzgas
verwendet, welches chemische Spezies auf der Grundlage von Chlor
oder Brom oder Sauerstoff erzeugt, um im Rahmen eines Trockenätzverfahrens
Polyzidschichten entfernen und Ätzmasken veraschen
zu können.
Das Entfernen der Seitenwandschutzschichten erfolgt dabei mit verdünnter Flusssäure.
-
Die
US 2002/0146647 A1 betrifft die Zusammensetzung von Substanzen zur
Entfernung von Fotoresistschichten, die geeignet sind, Reste des Ätzvorgangs
zu vermeiden, und zwar ohne, dass vorgesehene Metallschichten korrodiert
oder beschädigt
werden.
-
Die
US 6,413,877 B1 zeigt
ein Verfahren zum Verhindern von Schäden an Organo-Silikatglasmaterialien
während Ätzvorgänge zum
Entfernen von Resistmaterialien. Bei sämtlichen Entfernungsvorgängen hinsichtlich
der Resistmasken wird nachfolgend ein Nassätzverfahren zur Entfernung
von Seitenwandresten angewandt, wo u.a. wässsige verdünnte Flusssäure zum Einsatz kommt.
-
Die
US 2002/0072230 A1 betrifft das Ausbilden von Kontaktöffnungen
unter Vermeidung von Ätzresten.
Vorgesehen wird dabei ein Reinigungsprozess für die Durchkontaktierungslöcher mit
zwei Schritten, um Metallpolymere und Oxidpolymere als Restmaterialien
in den Durchkontaktierungsöffnungen
zu vermeiden und gleichzeitig Schädigungen in der Durchkontaktierungsöff nung oder
den darunter liegenden Strukturen auf dem Halbleitersubstrat zu
verhindern. Nach der Ausbildung der Durchkontaktierungslöcher werden
diese mit einer Schicht ausgekleidet. Dabei handelt es sich um ein
bestimmtes Oxidpolymer und ein bestimmtes Metallpolymer. Der zweischrittige
Reinigungsprozess umfasst einen ersten Schritt, der das Metallpolymer
entfernen soll und ein Eintauchen in Salpetersäure umfasst. Der zweite Schritt
umfasst ein Eintauchen in Phosphorsäure, um Oxidpolymerkomponenten
zu entfernen.
-
Die
US 2002/0038910 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitereinrichtung.
Dabei wird besonderes Augenmerk auf die Zuverlässigkeit von Kontaktlöchern mit
geringer Ausdehnung gelegt, in dem u.a. auf die Möglichkeit
der Bildung natürlicher
Oxidfilme hingewiesen wird.
-
Die
US 6,399,504 B1 betrifft
Verfahren zum Ätzen
von Siliziumoxiden, und zwar mit geringer Selektivität. Dabei
werden Oberflächen
mit dotierter Siliziumdioxidschicht mit einer Lösung gereinigt, welche thermische
Oxide mit mindestens einem Drittel der Geschwindigkeit ätzt, wie
die freigelegten dotierten Siliziumdioxide. Dadurch ergibt sich
ein gründlicherer
Reinigungsprozess und zwar mit geringerem Abtrag des freigelegten dotierten
Siliziumdioxids. Als Lösungsmittel
kommt verdünnte
Flusssäure
zum Einsatz.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Strukturieren dielektrischer
Schichten auf Halbleitersubstraten aufzuzeigen, welches die Darstellung
von Kontaktlöchern
oder Gräben
in der dielektrischen Schicht mit hoher Präzision auch bei kleinen Abmessungen
ermöglicht.
-
Die
Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Strukturieren dielektrischer
Schichten auf Halbleitersubstraten erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
weist die Schritte auf:
- a1) Bereitstellen einer
ersten Schicht,
- a2) Abscheiden zumindest einer aus einem Dielektrikum gebildeten
Schicht auf der ersten Schicht, so dass eine dielektrische Schicht
erhalten wird, wobei das Dielektrikum aus einem Material der Gruppe
besteht, die gebildet wird von Siliziumcarbid, insbesondere SiC(H)
und SiC(N), BPSG, phosphordotiertem Siliziumglas, thermischen Oxiden
und anorganischen Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante,
insbesondere FSG, TEOS und SiOC-Verbindungen,
- a3) Abscheiden einer fotoempfindlichen Resistschicht auf der
dielektrischen Schicht;
- b1) abschnittsweises Belichten und Entwickeln der Resistschicht,
so dass eine Resistmaske erhalten wird, durch welche Abschnitte
der dielektrischen Schicht freigelegt sind
- b2) Abtragen der dielektrischen Schicht in den durch die Resistmaske
freigelegten Abschnitten bis zumindest einer Tiefe, dass die erste
Schicht freigelegt ist,
- c1) Veraschen der Resistmaske in einem Sauerstoffplasma, wobei
das Veraschen bei einer Temperatur durchgeführt wird, die geringer als
200°C gewählt ist,
und das Sauerstoffplasma aus einem Gas erzeugt wird, das zumindest
Sauerstoffgas und ein Formiergas enthält, wobei das Sauerstoffgas
in einem Anteil von 40 Vol.-% bis 60 Vol.-% und Formiergas in einem
Anteil von 60 Vol.-% bis 40 Vol.-% enthalten ist, so dass eine strukturierte
dielektrische Schicht erhalten wird und
- c2) Reinigen der strukturierten dielektrischen Schicht mit wässriger
verdünnter
Flusssäure
mit einer Konzentration HF/H2O von weniger
1:300, insbesondere weniger als 1:400,
- c3) so dass insgesamt bei den Schritten c1) und c2) ein geringerer
Abtrag an der strukturierten dielektrischen Schicht erfolgt im Vergleich
zu einem gesamten Abtrag bei einem Veraschen der Resistmaske, das im
Unterschied zum Schritt c1) bei einer Temperatur oberhalb 200°C und bei
einem Anteil des Sauerstoffgases von mehr als 60 Vol.-% durchgeführt wird,
und einem nachfolgenden Reinigen mit verdünnter Flusssäure entsprechend
dem Schritt c2).
-
Überraschenderweise
hat sich gezeigt, dass durch die Bedingungen, unter welchen eine
Veraschung der Resistmaske durchgeführt wird, die Aufweitung der
in die dielektrische Schicht eingebrachten Gräben oder Löcher beeinflusst werden kann,
die beim abschließenden
Reinigungsschritt mit wässriger
verdünnter
Flusssäure
beobachtet wird. Durch eine Optimierung der Bedingungen für die Veraschung
der Resistmaske kann die Aufweitung der in die dielektrische Schicht
eingebrachten Löcher
bzw. Gräben
verringert werden. Es lassen sich daher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
Kontaktlöcher
bzw. Gräben
mit hoher Präzision
darstellen, die einen geringeren Durchmesser aufweisen, als er mit
den derzeit üblichen
Verfahren erreicht werden kann.
-
Bei
der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird in der Weise vorgegangen, dass zunächst eine erste Schicht bereitgestellt
wird. Diese erste Schicht kann beispielsweise eine Halbleiterschicht sein,
welche z.B. dotierte Gebiete umfasst, zu denen ein Kontakt zu einer
Leiterbahnebene hergestellt werden soll. Im Allgemeinen besteht
die Halbleiterschicht aus Silizium, welches zum Beispiel für die Erzeugung
eines Source- oder Drainkontakts eines Transistors mit einer Dotierung
versehen sein kann. Die erste Schicht kann auch von einem Halbleitersubstrat
gebildet werden, in welches ein Graben eingebracht werden soll,
z.B. für die
Herstellung eines Grabenkondensators. Weiter kann die erste Schicht
auch aus einem Metall aufgebaut sein und beispielsweise als Leiterbahn
ausgebildet sein, zu der ein Kontakt hergestellt werden soll, z.B.
als Via zu einer höher
angeordneten Leiterbahnebene. Auf diese erste Schicht wird anschließend zumin dest
eine Schicht aus einem isolierenden Material abgeschieden, so dass
eine dielektrische Schicht erhalten wird. Die dielektrische Schicht
kann eine einzelne Schicht umfassen, die homogen aus einem einzelnen
Material gebildet ist. Es ist aber auch möglich, mehrere Schichten aus
jeweils verschiedenen dielektrischen Materialien übereinander
anzuordnen, welche dann gemeinsam die dielektrische Schicht ausbilden,
in welche ein Kontaktloch eingebracht werden soll, welches bis zur
ersten Schicht reicht. Die dielektrische Schicht wird mit üblichen
Verfahren abgeschieden, beispielsweise durch chemische Dampfphasenabscheidung
(CVD). Als isolierende Materialien können an sich alle üblichen
Materialien verwendet werden. Typische Beispiele sind Oxidschichten, insbesondere
Schichten aus Siliziumdioxid, oder auch Schichten aus einem Silikatglas,
zum Beispiel einem Bor-Phosphorsilikatglas.
-
Um
den Bereich der dielektrischen Schicht zu definieren, welcher für die Herstellung
eines Grabens oder eines Kontaktlochs abgetragen werden soll, wird
eine Schicht aus einem fotoempfindlichen Resist auf der dielektrischen
Schicht abgeschieden. Es können
gängige
Fotoresists verwendet werden, wie sie bei der Herstellung von Mikrochips üblicherweise
verwendet werden. Die Abscheidung der fotoempfindlichen Resistschicht
erfolgt ebenfalls nach gängigen
Verfahren, beispielsweise durch Aufschleudern. Die fotoempfindliche Resistschicht
wird anschließend
in üblicher
Weise belichtet, wobei beispielsweise mit Hilfe einer Fotomaske ein
dem Kontaktloch entsprechender Abschnitt des Resistfilms belichtet
wird. Die Resistschicht wird anschließend in üblicher Weise entwickelt, so
dass eine Resistmaske erhalten wird, welche Abschnitte umfasst,
in denen die dielektrische Schicht freigelegt ist. Die dielektrische
Schicht wird anschließend
in den freigelegten Abschnitten so weit abgetragen, dass die unter
der dielektrischen Schicht angeordnete erste Schicht wieder freigelegt
wird. Die dielektrische Schicht kann dabei bis zur Grenzfläche zwischen
dielektrischer Schicht und erster Schicht abgetragen werden. Es
ist aber auch möglich,
den Abtrag in die erste Schicht hinein fortzusetzen, um beispielsweise
einen Graben in der ersten Schicht zu erzeugen. Der Abtrag der dielektrischen
Schicht erfolgt mit üblichen
Verfahren. Meist wird ein geeignetes Plasma verwendet. Besteht die
dielektrische Schicht aus beispielsweise Siliziumdioxid, kann das
Kontaktloch beispielsweise mit einem fluorhaltigen Plasma geätzt werden.
Ist das Kontaktloch in die dielektrische Schicht eingebracht, werden
nun erfindungsgemäß beim Veraschen
der Resistmaske in einem Sauerstoffplasma die Bedingungen so gewählt, dass
die Veraschung bei einer im Vergleich zu den derzeit üblichen
Verfahren geringeren Temperatur durchgeführt wird. Erfindungsgemäß wird die
Temperatur für
das Veraschen geringer als 200 °C,
bevorzugt zwischen 50°C
und 200°C
gewählt. Ferner
wird die Veraschung bei einer geringeren Sauerstoffkonzentration
durchgeführt,
als sie bei den bisher üblichen
Veraschungsschritten verwendet wird. Bei der bisher üblichen
Veraschung wird der Anteil des Sauerstoffgases im Gas zur Erzeugung
des Sauerstoffplasmas üblicherweise
höher als
90 Vol.-% gewählt.
Im Gegensatz dazu wird beim erfindungsgemäßen Verfahren der Sauerstoffanteil
im Gas zur Erzeugung des Sauerstoffplasmas niedriger gewählt. Geeignet
wird der Sauerstoffanteil kleiner als 60 Vol-%, bevorzugt zwischen 40
Vol.-% und 60 Vol.-% gewählt,
insbesondere bevorzugt zwischen 40 Vol.-% und 50 Vol.-%. Entsprechend höher wird
der Anteil des Formiergases gewählt.
Das Formiergas nimmt nicht unmittelbar an der Veraschung des Resists
teil, bewirkt aber eine Stabilisierung des Plasmas. Beim erfindungsgemäßen Verfahren
wird der Anteil des Formiergases geeignet größer als 40 Vol.-%, bevorzugt
zwischen 60 und 40 Vol.-%, insbesondere bevorzugt zwischen 60 und
50 Vol.-% gewählt.
Nach der Veraschung der Resistmaske wird eine strukturierte dielektrische
Schicht erhalten, in welche beispielsweise Kontaktlöcher oder
Gräben
eingebracht sind, welche durch die dielektrische Schicht bis zur
unter der dielektrischen Schicht angeordneten erste Schicht reichen.
Abschlie ßend
erfolgt eine Reinigung mit verdünnter
Flusssäure,
um eine Oxidschicht zu entfernen, die sich am Grund des Kontaktlochs
bzw. des Grabens auf der ersten Schicht ausgebildet hat. Hier werden
an sich die gleichen Bedingungen eingesetzt, wie sie auch bisher
für eine
Reinigung der strukturierten dielektrischen Schicht nach einer Resistveraschung üblich sind.
Die Konzentration der verdünnten
wässrigen
Flusssäure
HF/H2O beträgt im Allgemeinen zwischen
1:300 und 1:500. Die Reinigung wird gewöhnlich bei Raumtemperatur und
für eine
Dauer zwischen 10 Sekunden und 120 Sekunden durchgeführt. Dabei
erfolgt überraschenderweise
eine deutlich geringere Aufweitung der Kontaktlöcher bzw. Gräben als
sie nach einer Veraschung der Resistschicht unter den bisher üblichen
Bedingungen beobachtet wird, also bei einer Veraschung der fotoempfindlichen Schicht
bei hoher Temperatur bzw. mit einem Plasma mit hohem Sauerstoffanteil.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
steht also neben der Temperatur, der Dauer und der Konzentration
der wässrigen
Flusssäure,
die jeweils nach der Veraschung der Resistmaske bei der Reinigung
mit Flusssäure
gewählt
wird, noch ein weiterer Parameter zur Verfügung, mit dem die Aufweitung
eines Kontaktlochs bzw. eines Grabens während der Reinigung mit wässriger
Flusssäure
beeinflusst werden kann, nämlich
die Bedingungen für
die Veraschung der Resistmaske.
-
Nach
dem Einbringen des Kontaktlochs oder des Grabens in die dielektrische
Schicht und der abschließenden
Reinigung wird die strukturierte dielektrische Schicht in üblicher
Weise prozessiert. Es kann beispielsweise ein Liner in den Graben
oder das Kontaktloch eingebracht werden, mit welchem die Seitenwände abgedeckt
werden oder das Kontaktloch kann beispielsweise auch direkt mit
einem leitenden Material aufgefüllt
werden.
-
Die
Zeitdauer für
die Veraschung der Resistmaske wird möglichst kurz gewählt, um
eine Schädigung der
Seitenwände
des Grabens oder des Kontaktlochs möglichst gering zu halten. Geeignet
wird für
die Veraschung der Resistmaske eine Zeitdauer zwischen 30 Sekunden
und 120 Sekunden gewählt,
insbesondere bevorzugt zwischen 30 Sekunden und 60 Sekunden. Die
für die
Veraschung gewählte
Dauer wird vom Resistmaterial sowie von der Dicke der Resistschicht
beeinflusst. Für
ein gegebenes Resistmaterial und eine gegebene Schichtdicke kann
der Fachmann durch einfache Vorversuche die geeignete Dauer für die Veraschung jedoch
ohne weiteres ermitteln.
-
Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Veraschung der Resistmaske bei einer im Vergleich zu bisher üblichen
Verfahren deutlich geringeren Sauerstoffkonzentration durchgeführt. Geeignet
wird der Sauerstoffpartialdruck im Gas für die Erzeugung des Sauerstoffplasmas
zwischen 26,7 und 1070 Pa, insbesondere bevorzugt 107 und 200 Pa
gewählt.
-
Neben
dem Sauerstoffgas enthält
das Gas zur Erzeugung des Sauerstoffplasmas ein Formiergas als weiteren
Bestandteil. Als Formiergas kann beispielsweise Stickstoffgas verwendet
werden. Bevorzugt enthält das
Formiergas jedoch zumindest Stickstoff- und Wasserstoffgas.
-
Das
Formiergas enthält
dabei im Allgemeinen das Stickstoffgas im Überschuss gegenüber dem
Wasserstoffgas. Der Anteil des Wasserstoffgases im Formiergas wird
geeignet zwischen 1 und 50 Vol.-% gewählt.
-
Die
erste Schicht kann an sich aus einem beliebigen Material bestehen.
Geeignet werden jedoch Materialien eingesetzt, welche wasserlösliche Fluoride
bilden. Insbesondere bevorzugt ist die erste Schicht aus Silizium
aufgebaut. Beim Veraschen der Resistschicht entsteht zunächst eine
dünne Schicht
aus Siliziumdioxid auf der am Grund des Kontaktlochs freigelegten
Halbleiterschicht, welche sich mit verdünnter Flusssäure entfernen
lässt.
Das Silizium kann auch eine Dotierung umfas sen, durch welche beispielsweise
die elektrische Leitfähigkeit
erhöht
wird. Solche dotierten Bereiche werden beispielsweise als Source-
oder Drainkontakt für Feldeffekttransistoren
verwendet.
-
Die
dielektrische Schicht kann, wie bereits oben beschrieben, aus an
sich beliebigen Materialien aufgebaut sein, die eine ausreichende
Isolationswirkung zwischen verschiedenen elektrisch leitenden Ebenen
ermöglichen.
Besonders ausgeprägt
ist der beim erfindungsgemäßen Verfahren
beobachtete Effekt jedoch bei Dielektrika, welche vom Silizium abgeleitet
sind. Besonders bevorzugt umfasst die dielektrische Schicht daher zumindest
eine Schicht aus einem Silikatglas und/oder einem Siliziumcarbid.
Als Silikatglas kann beispielsweise Siliziumdioxid verwendet werden.
Das Silikatglas kann jedoch noch weitere Elemente enthalten, beispielsweise
Bor oder Phosphor. Das Silikatglas wird mit üblichen Verfahren abgeschieden,
beispielsweise durch chemische Gasphasenabscheidung. Das Siliziumcarbid
kann neben Silizium und Kohlenstoff noch weitere Elemente umfassen,
insbesondere Wasserstoff. Ein Siliziumcarbid mit einem hohen Anteil
an Wasserstoffatomen kann beispielsweise durch chemische Gasphasenabscheidung
erzeugt werden.
-
Die
abschließende
Reinigung der strukturierten dielektrischen Schicht erfolgt mit
verdünnter
wässriger Flusssäure. An
sich können
auch andere Lösungsmittel
gewählt
werden, in welchen die Flusssäure
löslich
ist. Wegen der einfacheren Entsorgung, wird jedoch bevorzugt eine
wässrige
verdünnte
Flusssäure
verwendet. Die Konzentration der Flusssäure wird möglichst gering gewählt, um
die Behandlungszeiten ausreichend genau steuern zu können und
um einen möglichst
geringen Abtrag der dielektrischen Schicht an den Seitenwänden des
Grabens oder des Kontaktlochs zu bewirken. Geeignet enthält die wässrige verdünnte Flusssäure HF und
H2O in einem Verhältnis von weniger als 1:400,
vorzugsweise weniger als 1:500.
-
Für die abschließende Reinigung
der strukturierten dielektrischen Schicht wird die Behandlungsdauer möglichst
kurz gewählt,
um ein Überätzen zu
vermeiden. Bevorzugt wird die Dauer für die Reinigung der strukturierten
dielektrischen Schicht mit verdünnter
Flusssäure
geringer als 60 Sekunden, insbesondere bevorzugt geringer als 30
Sekunden gewählt.
-
Der
Reinigungsschritt, in welchem die strukturierte dielektrische Schicht
mit Flusssäure
behandelt wird, entspricht an sich dem üblichen Reinigungsverfahren.
Die verdünnte
Flusssäure
enthält üblicherweise ein
Puffersalz, insbesondere bevorzugt NH4F.
-
Wie
bei den bisher üblichen
Verfahren kann auch beim erfindungsgemäßen Verfahren nach der Veraschung
der Resistmaske zunächst
eine nasschemische Reinigung erfolgen, um organische Reste, die
nach dem Veraschen der Resistmaske noch auf der strukturierten dielektrischen
Schicht verblieben sind, zu entfernen. Die nasschemische Reinigung
wird im Allgemeinen unter oxidativen Bedingungen durchgeführt. Es
können
hierzu übliche
Verfahren verwendet werden, beispielsweise, wie bereits oben beschrieben,
eine Behandlung mit H2SO4/O3.
-
Die
Erfindung wird im weiteren unter Bezugnahme auf eine beigefügte Zeichnung
näher erläutert. Die Figuren
der Zeichnung zeigen im einzelnen:
-
1 Arbeitsschritte, welche bei der Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
durchlaufen werden;
-
2 Arbeitsschritte, welche bei der Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
durchlaufen werden, wobei die dielektrische Schicht mehrere Schichten
umfasst;
-
3 eine
graphische Darstellung des Abtrags eines dielektrischen Materials
nach einer Behandlung im Sauerstoffplasma sowie nach einer Reinigung
mit gepufferter Flusssäure.
-
1A zeigt
eine Schicht 1 aus einem Dielektrikum, in welche eine Leiterbahn 2 eingebracht
ist. Die Leiterbahn 2 ist beispielsweise aus Aluminium
aufgebaut und bildet die erste Schicht im Sinne der Erfindung. Auf
der Schicht 1 ist eine weitere dielektrische Schicht 3 angeordnet,
die beispielsweise aus Siliziumdioxid besteht und in welche ein
Kontaktloch zur Erzeugung eines Vias eingebracht werden soll. Auf
der dielektrischen Schicht 3 wird zunächst eine fotoempfindliche
Schicht 4 aufgebracht, belichtet und entwickelt, um eine
in 1B dargestellte Öffnung 5 zu definieren,
welche als Maske für
die Erzeugung des Kontaktlochs dient. Anschließend wird in üblicher
Weise mit einem fluorhaltigen Plasma ein Kontaktloch 6 durch
die dielektrische Schicht 3 geätzt, das, wie in 1C gezeigt,
bis zur Leiterbahn 2 reicht. Im nächsten Arbeitsschritt wird
die fotoempfindliche Schicht 4 in einem sauerstoffhaltigen
Plasma verascht. Typische Bedingungen für die Veraschung sind im Folgenden
angegeben:
Temperatur: 195°C
(50°C–200°C)
Sauerstoff:
1000 sccm (< 2000
sccm)
Verhältnis
O2/Formiergas: 1/1 (V/V)
Formiergas:
1000 sccm
Behandlungsdauer: 50 s
-
Wie
in 1D dargestellt, wird die Oberseite der dielektrischen
Schicht 3 wieder freigelegt und am Grund des Kontaktlochs 6 bildet
sich auf der freiliegenden Oberfläche der Leiterbahn 2 eine
Oxidschicht 7 aus. Die Oxidschicht 7 kann mit
verdünnter
Flusssäure
entfernt werden. Dabei wird nur eine geringe Aufweitung des Kontaktlochs 6 beobachtet.
Anschließend
wird in üblicher
Weise das Kontaktloch 7 mit einem leitfähigen Material aufgefüllt und
dann, wie in 1E gezeigt, eine weitere Leiterbahn 8 abgeschieden.
Die Leiterbahnen 2 und 8 sind durch ein Via 9 elektrisch
leitend verbunden.
-
2 zeigt Arbeitsschritte, die bei der Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
durchlaufen werden, wobei in diesem Fall die dielektrische Schicht 3 mehrere
Schichten aus unterschiedlichen Materialien umfasst. 2A zeigt
eine Halbleiterschicht 10, beispielsweise ein Siliziumwafer,
in welcher ein dotierter Bereich 11 definiert ist, zu welchem
eine leitende Verbindung hergestellt werden soll. Auf der Halbleiterschicht 10 ist
eine dielektrische Schicht 3 angeordnet, welche aus mehreren
Einzelschichten aufgebaut ist. Bei der in 2A dargestellten
Anordnung wird auf der Halbleiterschicht 10 zunächst eine
Schicht 12 aus einem Bor-Phosphor-Siliziumglas (BPSG) abgeschieden.
Auf dieser Schicht 12 wird eine Siliziumcarbid-Schicht 13 abgeschieden.
Diese Schicht 13 besteht im Wesentlichen aus Siliziumcarbid
mit einem hohen Wasserstoffanteil, das durch eine chemische Gasphasenabscheidung
erzeugt wird. Als oberste Schicht ist schließlich eine Silanoxidschicht 14 vorgesehen,
welche durch eine chemische Gasphasenabscheidung erzeugt wird, beispielsweise
aus Siliziumtetrachlorid und Wasser. Um eine leitende Verbindung
zum dotierten Bereich 11 herstellen zu können, muss
zunächst
auf der Oberfläche
der dielektrischen Schicht 3 derjenige Abschnitt definiert werden,
in welchem ein durch die dielektrische Schicht 3 reichendes
Kontaktloch eingebracht werden soll. Dazu wird zunächst eine
Schicht aus einem fotoempfindlichen Resist 4 aufgebracht,
selektiv belichtet und anschließend
in üblicher
Weise entwickelt. Man erhält,
wie in 2B dargestellt, eine Resistmaske,
welche eine Öffnung 5 umfasst,
in welcher die Oberfläche
der dielektrischen Schicht 3 freigelegt ist. Die durch
die Öffnung 5 vorgegebene
Fläche
wird nun mit einem fluorhaltigen Plasma die dielektrische Schicht 3 geätzt, so
dass ein Kontaktloch 6 erhalten wird, welches durch die
dielektrische Schicht 3 bis zum dotierten Bereich 11 der
Halbleiterschicht 10 reicht. Anschließend wird die fotoempfindliche
Schicht 4 durch Veraschung im Sauerstoffplasma entfernt.
Die Veraschung kann bei den bei 1 angegebenen
Bedingungen durchgeführt
werden.
-
Nach
der Veraschung der fotoempfindlichen Schicht 4 im Sauerstoffplasma
ist die Oberfläche
der dielektrischen Schicht 3 wieder freigelegt. Gleichzeitig
bildet sich jedoch am Grund des Kontaktlochs 6 eine dünne Oxidschicht 7 aus,
wie dies in 2D dargestellt ist. Wird das
Kontaktloch 6 direkt mit einem leitenden Material aufgefüllt, würde die
Oxidschicht 7 zu einem hohen ohmschen Widerstand führen. Es
ist daher erforderlich, die Oxidschicht 7 durch eine Behandlung
mit verdünnter
wässriger
Flusssäure
zunächst
zu entfernen. Dazu wird auf die in 2D dargestellte
Anordnung wässrige
Flusssäure
gegeben (Verdünnung:
1:500; Raumtemperatur (23°C);
30–60
s). Die Oxidschicht 7 wird aufgelöst. Gleichzeitig greift die
verdünnte
Flusssäure
jedoch die von der dielektrischen Schicht 3 gebildeten
Seitenwände
des Kontaktlochs 6 an. Die Aufweitung des Kontaktlochs 6 ist
jedoch deutlich geringer als nach einer Veraschung der fotoempfindlichen
Schicht 4 unter den bisher üblichen Bedingungen. Nach Entfernung
der Oxidschicht 7 wird das Kontaktloch 7 mit einem leitenden
Material 15 aufgefüllt,
um, wie in 1E dargestellt, eine durch die
dielektrische Schicht 3 reichende leitende Verbindung zum
dotierten Bereich 11 in der Halbleiterschicht 10 herzustellen.
-
Der
Einfluss der Veraschungsbedingungen auf den Abtrag der dielektrischen
Schicht kann durch die folgenden Beispiele gezeigt werden.
-
Blanke
Siliziumwafer als Halbleitermaterial werden mit einer Siliziumcarbid-Schicht
einer bestimmten Schichtdicke beschichtet. Auf diese Siliziumcarbid-Schicht
wird eine Schicht aus einem Fotoresist aufgetragen. Der Fotoresist
wird anschließend
mit einem Sauerstoffplasma verascht. Dabei werden die in Tabelle
1 angegebenen Bedingungen eingestellt. Die Veraschung wird in unterschiedlichen
Plasmakammern (Plasmakammer A bzw. B) sowie bei unterschiedlichen
Temperaturen und Sauerstoffkonzentrationen durchgeführt. Nach der
Veraschung der Fotoresistschicht wird die Schichtdicke der Siliziumcarbid-Schicht
bestimmt und aus der Differenz der Schichtdickenverlust berechnet,
der durch die Veraschung verursacht wird. Der Schichtdickenverlust
ist in 3a jeweils graphisch in Form
eines Balkendiagramms dargestellt. Man erkennt, dass während der
Veraschung der Schichtabtrag der Siliziumcarbid-Schicht durch die Temperatur wie auch
durch die Sauerstoffkonzentration im Plasma beeinflusst wird. Dabei
ist jedoch keine eindeutige Tendenz festzustellen. Der Schichtabtrag
wird nicht nur durch die Temperatur und die Sauerstoffkonzentration
beeinflusst, sondern beispielsweise auch durch die Art der verwendeten
Plasmakammer.
-
Anschließend werden
alle Wafer unter jeweils gleichen Bedingungen mit einer verdünnten wässrigen gepufferten
Flusssäure
behandelt (H2O/HF = 500:1; 23°C; 60 s).
Nach der Behandlung wird die Schichtdicke der Siliziumcarbid-Schicht
erneut bestimmt und daraus der weitere Schichtdickenverlust berechnet.
Der weitere Schichtdickenverlust ist in 3B dargestellt.
Man erkennt, dass die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Siliziumwafer
einen deutlich geringeren Schichtdickenverlust bei der Behandlung
mit verdünnter
Flusssäure
erleiden als diejenigen Siliziumwafer, bei welchen die Veraschung
bei höherer
Temperatur bzw. bei höherer
Sauerstoffkonzentration erfolgt. Der gesamte Verlust der Schichtdicke
ergibt sich durch eine Addition der jeweiligen Werte aus 3A und 3B.
Es zeigt sich dabei, dass bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ein deutlich geringerer Schichtdickenverlust auftritt als nach einer
Veraschung unter den bisher üblichen
Bedingungen. Dies bedeutet, dass Kontakt löcher bzw. Gräben in eine
dielektrische Schicht eingebracht werden können, welche einen deutlich
geringeren Durchmesser aufweisen, da bei der Reinigung mit verdünnter wässriger
Flusssäure
eine deutlich geringere Aufweitung der Öffnung beobachtet wird.
-
Die
zum Veraschen der Fotoresistschicht verwendeten Prozessbedingungen
sind nachfolgend in Tabelle 1 angegeben.
-
Tabelle
1 Reaktionsbedingungen für
die Veraschung der Resistschicht
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich an sich für
beliebige dielektrische Materialien. Neben dem bereits beschriebenen
Siliziumcarbid (SiC(H)), BPSG (Bor-Phosphor-Silizium-Glas) und Silanoxid
eignet sich das Verfahren beispielsweise auch zur Strukturierung
von TEOS (Tetraethoxysilikat), thermischen Oxiden, phosphordotiertem
Siliziumglas, FSG (fluoriertes Silikatglas), SiC(N), SiOC und ähnliche
Verbindungen sowie anorganischen Low K Materialien.