DE10304103A1 - Verfahren zur Herstellung von mit Aluminium gefüllten Kontaktlöchern - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit Aluminium gefüllten Kontaktlöchern in einem Wafer unter Verwendung einer Beschichtungsanlage, bestehend aus mehreren Vakuumbearbeitungskammern, die über wenigstens eine Transferkammer mit zugehörigem Handler zum Transfer der Wafer miteinander gekoppelt sind, wobei nach der Strukturierung der Kontaktlöcher mit einem CVD- oder PVD-Prozess zunächst eine dünne Titan- bzw. Titan und Titannitrid-Schicht abgeschieden wird. Mit der Erfindung soll ein Verfahren zur Herstellung von mit Aluminium gefüllten Kontaktlöchern geschaffen werden, mit dem das Füllen insbesondere von steilen Kontaktlöchern mit einem Durchmesser von < 250 nm und einer Kontakttiefe von > 300 nm zuverlässig, schnell und damit preiswert ohne Beeinflussung der nachfolgenden Strukturierung von Metallbahnen mittels einer RIE Integration einschließlich des dafür erforderlichen Lithographieprozesses erfolgen kann. Gemäß der Erfindung erfolgt das dadurch, dass der Wafer (1) zunächst auf Umgebungstemperatur abgekühlt und dass nachfolgend in einer PVD-Aluminium-ESC-Kammer (11, 12) eine kalte Al-PVD-Beschichtung und anschließend nach Aufheizung des Wafers (1) auf eine Temperatur von < 450 DEG C in der gleichen PVD-Aluminium-ESC-Kammer (11, 12) eine heiße Al-PVD-Abscheidung vorgenommen wird. Bevorzugt erfolgt die Abkühlung des Wafers (1) während des Transfers in der Transferkammer (7; 8) (Fig. 1).
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit Aluminium gefüllten Kontaktlöchern in einem Wafer unter Verwendung einer Beschichtungsanlage, bestehend aus mehreren Vakuumbearbeitungskammern, die über wenigstens eine Transferkammer mit zugehörigem Handler zum Transfer der Wafer miteinander gekoppelt sind, wobei nach der Strukturierung der Kontaktlöcher mit einem CVD- oder PVD-Prozess zunächst eine dünne Titan- bzw. Titan und Titannitrid-Schicht abgeschieden wird.
- In einem Wafer angeordnete Halbleiteranordnungen, wie z.B. Speicheranordnungen usw., besitzen in der Regel mehrere Metallisierungsebenen, die über Metallkontakte miteinander elektrisch verbunden sind. Um derartige Metallkontakte herzustellen, werden Lithographieprozesse in Verbindung mit nachfolgendem RIE (Reactive Ion Etching / Reaktives Ionenätzen) öder ähnliche Prozessen eingesetzt. Es werden also mit den Lithographieprozessen Ätzmasken auf dem Substrat hergestellt, so dass dann nachfolgend durch die Ätzmasken mittels des RIE Kontaktlöcher in das Substrat geätzt werden können, die in die Tiefe bis zur nächst unteren Metallisierungsebene reichen.
- Grundsätzlich ist es möglich, die Kontaktlöcher vollständig mit Wolfram mittels eines M-CVD-Prozess zu füllen. Hierzu ist allerdings eine vorherige TiN-Abscheidung und dann nach dem Wolfram-CVD-Prozess ein Polierschritt (CMP) notwendig. Nachteile bei der Füllung der Kontaktlöcher mit Wolfram sind einerseits im relativ hohen Kontaktwiderstand und andererseits im technologischen Aufwand zu sehen.
- Günstiger wäre es, die Kontaktlöcher mit Aluminium zu füllen. Derartige Al-Kontakte würden einen wesentlich geringeren Kontaktwiderstand aufweisen. Für die Herstellung solcher Al-Kontakte wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen und praktisch eingesetzt.
- Beispielsweise realisieren dies Lee et.al (J. M. Lee, B. H. Kim, J. Y. Yun, M. B. Lee, G. H. Choi, Y. W. Park, H. K. Shin, S. I. Lee, J. T. Moon, „A Noble Metallization Process Using Preferential Metall Deposition (PMD) – Aluminium with Methylpyrroridine Alane (MPA)", Proceedings of the international Interconnect Conference, June 4–6, 2001) mit der Abscheidung einer sehr dünnen PVD-Schicht aus MPA an der Oberfläche (nicht im Kontaktloch). Eine nachfolgende CVD-Aluminiumschicht wächst dann nur im Kontaktloch.
- Abschließend wird das Kontaktloch bei moderaten Temperaturen mit einem PVD-Reflow-Verfahren gefüllt.
- Da sich die hierbei zum Verfließen nötige CVD-Al-Schicht nicht auf einer planaren Oberfläche befindet, wird durch sie die Rauhigkeit des Reflow-Aluminiums nicht erhöht. Der Nachteil besteht hierbei allerdings in einer sehr komplexen Prozessführung, die verschiedene und sehr langsam ablaufende Prozesse beinhaltet.
- Ein anderes Verfahren nach J. H. Yun, K. Y. Kim, S. G. Jin, K. R. Yoon, S. H. Lee, I. C. Ryu, S. K. Park, „Hynix Semiconductor, Submicron Via-Hole Filling using Al Low-Pressure Seed Process", Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40 (2001) pp. 5105–5108, Part I, No. 8, August 2001, nutzt für die Al-Kontaktlochfüllung in einem Wafer eine kommerziell verfügbare Beschichtungsanlage von Applied Materials mit dem dafür vorgesehenen Prozess.
- Hierbei wird eine 400 nm dicke Al-Nukleationsschicht in einer separaten Kammer (long throw Technik) im Vakuum abgeschieden, während sich das Wafer auf einem gekühltem elektrostatischem Chuck (ESC) befindet. Der eigentliche Füllprozess wird danach bei Temperaturen von 450°C in einer weiteren Aluminium-PVD-Kammer im Vakuum nach einer Aufheizzeit von 120 s mit einer sehr geringen Abscheiderate bei 2 kW Sputterleistung durchgeführt. Das bedeutet, dass das Füllen der Kontaktlöcher (Vias) mit Aluminium in zwei Schritten in unterschiedlichen Vakuumkammern durchgeführt wird, wobei für den Transport der Wafer von Kammer zu Kammer ein Handler verwendet wird.
- Unter einem Handler ist eine Einrichtung zum Transfer von Wafern aus einem Magazin einer Ladestation (z.B. FOUP) in eine Kammer und von dieser in weitere Kammern und schließlich zurück in ein weiteres Magazin der Ladestation zu verstehen. Dieser Handler ist in einer zwischen den Bearbeitungskammern befindlichen evakuierbaren Transferkammer angeordnet.
- Der Nachteil besteht hierbei darin, dass zwei unterschiedliche Aluminium-Beschichtungs-Kammern benötigt werden, sowie dem dadurch bedingten höheren Zeitaufwand für den Transfer der Wafer und die Notwendigkeit, nach jedem Transfer jeweils erneut die erforderlichen Prozessparameter in der entsprechenden Kammer einstellen zu müssen, sowie in dem sehr langsamen Aluminium Fließprozess.
- Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von mit Aluminium gefüllten Kontaktlöchern zu schaffen, mit dem das Füllen insbesondere von steilen Kontaktlöchern mit einem Durchmesser von < 250 nm und einer Kontakttiefe von > 300 nm zuverlässig, schnell und damit preiswert ohne Beeinflussung der nachfolgenden Strukturierung von Metallbahnen mittels einer RIE Integration einschließlich des dafür erforderlichen Lithographieprozesses erfolgen kann.
- Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Wafer zunächst auf Umgebungstemperatur abgekühlt und dass nachfolgend in einer PVD-Aluminium-ESC-Kammer eine kalte Al-PVD-Beschichtung und anschließend nach Aufheizung des Wafers auf eine Temperatur von < 450°C in der gleichen PVD-Aluminium-ESC-Kammer eine heiße Al-PVD-Abscheidung vorgenommen wird.
- Die Erfindung besteht aus der Implementierung eines Kühl- und eines Aufheizschrittes mit einfachen Mitteln in die Beschichtungssequenz, wobei auf eine separate Al-Beschichtungskammer und die teuren Low Temperature elektrostatischen Chucks in der ALPS- und der Titan-Kammer verzichtet wird.
- In einer vorteilhaften Fortführung der Erfindung erfolgt die Abkühlung des Wafers während des Transfers in der Transferkammer, wobei die Abkühlung des Wafers durch Einleiten eines Gases in die Transferkammer erfolgt.
- Mit der Erfindung wird damit das Temperaturbudget erreicht, indem die Transferkammer nach einfacher Umrüstung als Kühlstation verwendet wird und die Aluminium-Beschichtung in einer Kammer einschließlich eines Aufheizschrittes zwischen kalter und heißer Abscheidung durchgeführt wird. Dadurch ist einer deutliche Erhöhung der Beschichtungsrate möglich, so dass eine erhebliche Kosteneinsparung erreicht wird.
- In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Wafer in der PVD-Aluminium-ESC-Kammer ohne Rückseitengas gechuckt und einer kaltem Al-Abscheidung und nachfolgend mit heißem Rückseitengas einer heißen Abscheidung unterzogen, wobei die Abscheidung des Al mit hoher Abscheiderate > 5 nm vorgenommen wird.
- Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel nä her erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
-
1 : eine Beschichtungsanlage, bestehend aus mehreren Vakuumbearbeitungskammern, die über Transferkammern mit zugehörigen Handlern zum Transfer der Wafer durch die Beschichtungsanlage miteinander gekoppelt sind; und -
2 : eine schematische Schnittdarstellung eines mit Aluminium gefüllten Vias. - Aus
1 ist der Transferweg eines Wafers1 durch eine Beschichtungsanlage2 für die Aluminium-Metallisierung in der Mikroelektronik ersichtlich. Dazu wird das Wafer1 aus einer Ladestation3 in einen Wafer-Orientierer4 transportiert, in dem zugleich ein Degas-Schritt ausgeführt wird. Den Transport der Wafer1 über nehmen zwei Handler5 ,6 , welche zum Beladen/Entladen der um sie herum angeordneten Einrichtungen vorgesehen sind. Zwischen den Handlern5 ,6 sind zwei Transferkammern7 ,8 sozusagen als Zwischenablage für die Wafer1 angeordnet. Von den Transferkammern7 ,8 kann das Wafer1 dann entsprechend der vorgesehenen Sequenz in eine PVD-Titannitrid-Kammer9 , eine PVD-Titan-Kammer10 und in PVD-Aluminium-ESC-Kammern11 ,12 transportiert werden. Ein Rücktransport der Wafer1 zur Beladestation3 erfolgt dann sinngemäß. Die verschiedenen Transportwege der Wafer1 sind aus1 ersichtlich. - Um das Verfahren zur Herstellung von mit Aluminium gefüllten Kontaktlöchern
14 ausführen zu können, wird zunächst eine der beiden Transferkammern8 ,9 für einen Gas-Kühlschritt umgerüstet. -
-
- Bei der Mehrschritt-Aluminium Beschichtung wird zunächst nach den Chucken des Wafers auf dem ESC (Elekro Static Chuck) der PVD-Aluminium-ESC-Kammer
11 ohne Rückseitengas eine kalte Aluminium PVD-Beschichtung und anschließend nach einem Heizschritt von 15 sec mit Rückseitengas in der gleichen Aluminium-ESC-Kammer11 bei < 450°C eine heiße Aluminium-Abscheidung bei einer hohen Abscheiderate abgeschieden und abschließend nach dem Transfer des Wafers1 in die PVD-Titannitrid-Kammer9 Titannitrid abgeschieden. -
2 zeigt nun eine schematische Schnittdarstellung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Aluminium, oder AlCu gefüllten Kontaktloches14 , welches die Metallisierungsebene-I15 durch das Zwischenebenen-Dielektrikum16 mit der Metallisierungsebene-II17 verbindet. Dabei ist es problemlos möglich, ein schräges Kontaktloch14 ebenso wie ein sehr steiles Kontaktloch18 mit Aluminium zu füllen. -
- 1
- Wafer
- 2
- Beschichtungsanlage
- 3
- Ladestation
- 4
- Wafer-Orientierer
- 5
- Handler
- 6
- Handler
- 7
- Transferkammer
- 8
- Transferkammer
- 9
- PVD-Titannitrid-Kammer
- 10
- PVD-Titan-Kammer
- 11
- PVD-Aluminium-ESC-Kammer
- 12
- PVD-Aluminium-ESC-Kammer
- 13
- Vorreinigungskammer
- 14
- Kontaktloch (Via)
- 15
- Metallisierungsebene I
- 16
- Zwischenebenen-Dielektrikum
- 17
- Metallisierungsebene II
- 18
- steiles Kontaktloch
Claims (5)
- Verfahren zur Herstellung von mit Aluminium gefüllten Kontaktlöchern in einem Wafer unter Verwendung einer Beschichtungsanlage, bestehend aus mehreren Vakuumbearbeitungskammern, die über wenigstens eine Transferkammer mit zugehörigem Handler zum Transfer der Wafer miteinander gekoppelt sind, wobei nach der Strukturierung der Kontaktlöcher mit einem CVD-Prozess zunächst eine dünne Titan- bzw. Titan und Titannitrid-Schicht abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer (
1 ) zunächst auf Umgebungstemperatur abgekühlt und dass nachfolgend in einer PVD-Aluminium-ESC-Kammer (11 ,12 ) eine kalte Al-PVD-Beschichtung und anschließend nach Aufheizung des Wafers (1 ) auf eine Temperatur von < 450°C in der gleichen PVD-Aluminium-ESC-Kammer (11 ,12 ) eine heiße Al-PVD-Abscheidung vorgenommen wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des Wafers (
1 ) während des Transfers in der Transferkammer (7 ;8 ) erfolgt. - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des Wafers (
1 ) durch Einleiten eines Gases in die Transferkammer (7 ;8 ) erfolgt. - Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer (
1 ) auf einem Thermochuck in einer PVD-Aluminium-ESC-Kammer (11 ;12 ) ohne Rück seitengas gechuckt und einer kaltem Al-Abscheidung und nachfolgend mit heißem Rückseitengas einer heißen Abscheidung unterzogen wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des Al mit hoher Abscheiderate vorgenommen wird.
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