DE10330795B4 - Kohlenstoff-Hartmaske mit einer Stickstoff-dotierten Kohlenstoffschicht als haftfähiger Schicht zur Haftung auf Metall oder metallhaltigen anorganischen Materialien und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Kohlenstoff-Hartmaske mit einer Kohlenstoffschicht und einer haftfähigen Schicht zur Haftung auf Metall oder metallhaltigen anorganischen Materialien; wobei die haftfähige Schicht eine Stickstoff-dotierte Kohlenstoffschicht auf dem Metall oder dem metallhaltigen anorganischen Material ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kohlenstoff-Hartmaske mit einer haftfähigen Schicht zur Haftung auf Metall oder metallhaltigen anorganischen Materialien, ein entsprechendes Herstellungsverfahren für eine Kohlenstoff-Hartmaske sowie eine Verwendung der Kohlenstoff-Hartmaske.
  • Aus der US 2002/37637 A1 , der WO 00/24048 A1 , der US 2002/119250 A1 und der US 2003/91938 A1 sind kohlenstoffhaltige Hartmasken bekannt, bei denen eine haftfähige Schicht zur Haftung auf Metall oder metallhaltigen anorganischen Materialien vorgesehen ist.
  • Als haftfähige Schicht werden in diesen Druckschriften insbesondere Siliziumoxid, Siliziumnitrid und metallische Legierungen bzw. Verbindungen angegeben.
  • Weitere Hartmasken mit darunterliegenden Haftschichten sind aus der US 2002/0086547 A1 , der GB 2,368457 A und der US 6,316,329 B1 bekannt.
  • Die US 2003/0091938 A1 offenbart darüber hinaus eine Hartmaske mit zwei amorphen Kohlenstoffschichten, welche durch spezielle Gaszusammensetzungen bei der Herstellung auf bestimmte optische Eigenschaften eingestellt sind.
  • Mit der zunehmenden Verkleinerung von Halbleiterstrukturen steigen auch die Anforderungen an die Qualität und die Verkleinerung von Metallbahnen, die nach Strukturierung der metallischen Schichten verbleiben.
  • Das Problem im Stand der Technik bei der Strukturierung von Metallen, wie z.B. Aluminium oder Titan liegt darin, dass die derzeit verwendeten Hartmasken nicht optimal für die Strukturierung sehr kleiner Strukturen, wie sie in der 70 nm Technologie vorkommen, sind.
  • Werden bspw. gewöhnliche Hartmaskenmaterialien wie SiO oder SiON verwendet, treten Fehler auf wie Al-Whiskerwachstum oder Al-Korrosion. Die mögliche Ursache für das Auftreten von Korrosion im Fall der Metallätzung mittels einer Hartmaske liegt in dem Fehlen eines Resists. Man nimmt an, dass der Resist als Kohlenstoffquelle zur Passivierung der Metalleitungen mit dünnen Polymerfilmen wirkt, wodurch eine Korrosion von Aluminium verhindert wird.
  • Die Verwendung von Kohlenstoff als Hartmaske zur Metallätzung hat den Nachteil, dass bspw. bei standardmäßig eingesetzten Verfahren zum Aufbringen von Kohlenstoff, wie z.B. PECVD-Abscheidungsverfahren (plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung; Englisch: Plasma Enhanced Chemical Vapor Depositi on), eine Kohlenstoffablösung beobachtet wird. Die mangelnde Haftung der aufgebrachten Kohlenstoffschicht tritt besonders im Bereich des Waferrandes auf, ist aber ein grundsätzliches Problem. Die Ablösung am Waferrand ist beispielhaft auf der elektronenmikroskopischen Aufnahme von 6 des Randbereichs eines metallbeschichteten Wafers mit einer auf der Metallschicht (Al) befindlichen Kohlenstoffschicht gezeigt. Dieses Verfahren unter Verwendung einer Kohlenstoff-Hartmaske bringt einerseits Verunreinigungsprobleme und andererseits Fehler des Strukturierungsmusters bzw. Topologiedefekte mit sich.
  • Die Alternative, dass ein Verfahren gewählt wird, bei dem lediglich ein Resist ohne jegliche Hartmaske eingesetzt wird, ist bei kleiner werdenden Strukturierungen, z.B. in der 70 nm Technologie, aufgrund der hohen Metallschichtdicken bei gleichzeitig geringen lateralen Ausmaßen des Metalls nicht mehr möglich. Hierfür ist das Ätzen lediglich mit einem Resist zu ungenau. Das Resistbudget (0Resistdicke) ist nicht ausreichend für die Metallätzung. Die Resistdicke ist nach oben durch 2 Faktoren begrenzt:
    • 1. das Aspektverhältnis (Resisthöhe/-breite): bei zu hohem Aspektverhältnis (ca. > 3) fallen die Bahnen um
    • 2. die Tiefenschärfe beim fotolithografischen Belichtungsprozess.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hartmaske zur Strukturierung von Metall bereit zu stellen, mit der das darunter liegende Metall zuverlässig strukturiert bzw. geätzt werden kann, auch bei geringen Strukturierungsgrößen, ohne dass die oben genannten Probleme auftreten.
  • Dies wird erfindungsgemäß durch eine Kohlenstoff-Hartmaske gemäß Anspruch 1 gelöst, die eine Kohlenstoffschicht und eine haftfähige Schicht zur Haftung auf Metall aufweist. Die erfindungsgemäße Kohlenstoff-Hartmaske kann somit als aus zwei Schichten aufgebaut angesehen werden, nämlich einer Kohlen stoffschicht und einer metallseitig angeordneten Haftschicht, welche eine verbesserte Haftung der Kohlenstoffschicht auf Metall gewährleistet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die haftfähige Schicht der Kohlenstoff-Hartmaske eine Stickstoff-dotierte Kohlenstoffschicht. Das Problem der geringen Haftung von Kohlenstoff auf Metall kann dadurch gelöst werden. Zudem kann die Stickstoff-dotierte Kohlenstoffschicht, wie weiter unten beschrieben, einfach in den Prozess der Aufbringung der Kohlenstoff-Hartmaske auf das Metall integriert werden.
  • Diese Stickstoff-dotierte Kohlenstoffschicht weist vorzugsweise eine Stickstoffdotierungskonzentration von 1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung der haftfähigen Schicht, auf, noch bevorzugter etwa 5 Gew.-%. Es wurde festgestellt, dass in diesem Konzentrationsbereich besonders gute Haftfähigkeiten und Ergebnisse erhalten wurden.
  • Die Schichtdicke der haftfähigen Schicht ist nicht besonders eingeschränkt. Für praktische Zwecke liegt die Dicke der haftfähigen Schicht bevorzugt bei etwa 2 bis 100 nm, noch bevorzugter etwa 5 bis 30 nm.
  • Die Dicke der Kohlenstoffschicht ist ebenfalls nicht besonders eingeschränkt. Bevorzugt beträgt sie üblicherweise etwa 80 bis 500 nm, bevorzugter etwa 200 bis 500 nm.
  • Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Hartmaske ist es bevorzugt möglich, bei den oben angegebenen Schichtdicken von 80 bis 250 nm, Metallschichten, insbesondere Al- oder AlCu-Schichten, mit einer Dicke von 500 bis 1200 nm, bevorzugt 850–1050 nm, sauber und reproduzierbar zu ätzen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Hartmaske nach Anspruch 5 bereit gestellt, bei dem zunächst eine Schicht auf einem metallischen Substrat gebildet wird, welche eine Haftung zwischen dem metallischen Substrat und dem Kohlenstoff der Kohlenstoff-Hartmaske bewirkt, und anschließend zur Vervollständigung der Kohlenstoff-Hartmaske eine Kohlenstoffschicht auf der auf Metallen haftfähigen Schicht gebildet wird.
  • Da die haftfähige Schicht eine Stickstoff-dotierte Kohlenstoffschicht ist, kann diese auf einfache Weise in einen Prozess der Aufbringung der Kohlenstoffschicht integriert werden, indem zunächst die Stickstoff-dotierte Kohlenstoffschicht mittels eines Plasma-gestützten Prozesses zum Aufbringen von Kohlenstoff aufgebracht wird, wobei dem Prozess Stickstoff in geeigneter Menge beigegeben wird. Dies hat den Vorteil, dass kein weiterer getrennter Prozessschritt mit zusätzlichem apparativen Aufwand zur Aufbringung der Haftschicht hinzukommt.
  • Zum Aufbringen des Kohlenstoffs wird üblicherweise ein C-haltiger Precursor, bevorzugt C2H4 oder C3H6, eingesetzt. Zur Erzeugung der N-dotierten Schicht wird N2 in geeigneter Menge beigegeben, sodass eine N-dotierte Schicht mit bevorzugt einer Dotierungskonzentration von 1 bis 10 Gew.-% N, bevorzugter etwa 3 bis 7, noch bevorzugter etwa 5 Gew.-% N, erhalten wird. Bspw. kann bevorzugt ein Gemisch aus C3H6 und N2 verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Hartmaske bei der Strukturierung von metallischen Schichten, insbesondere bei der Halbleiterfertigung.
  • Insgesamt ist es durch die vorliegende Erfindung möglich, Metallbahnen mit großen Schichtdicken bei geringen Linienbreiten des Metalls zuverlässig und wiederholbar zu strukturieren.
  • Kurze Beschreibung der Abbildungen:
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Halbleiterstruktur mit geätztem Resist.
  • 2 zeigt den Zustand der Anordnung von 1 nach Ätzen der Maske zur Strukturierung der darunter befindlichen Kohlenstoff-Hartmaske.
  • 3 zeigt den Zustand nach Ätzen der Kohlenstoff-Hartmaske und Entfernen des Resists.
  • 4 zeigt den Zustand nach nach dem eigentlichen Ätzen der Metallschicht mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Hartmaske.
  • 5 zeigt den Zustand nach Entfernen der Kohlenstoff-Hartmaske.
  • 6 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Delaminierung von Kohlenstoff an der Kante eines metallbeschichteten Si-Wafersubstrats.
  • 7 zeigt eine entsprechende optische Mikroskopaufnahme in Draufsicht auf eine Waferkante ohne Verwendung der haftvermittelnden Zwischenschicht.
  • 8 zeigt eine optische Mikroskopaufnahme wie in 7 mit einer erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Hartmaske.
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden ausführlicher anhand der Figuren beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung und die Ausführungsbeispiele sollen jedoch nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend angesehen werden.
  • 1 zeigt eine Halbleiterstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer auf einem Substrat 1, z.B. einem Siliziumsubstrat, befindlichen Metallschicht 2. Bei der Metallschicht handelt es sich bspw. um reines Al, AlCu-Legierungen, Cu oder Wolfram, wobei reines Al oder AlCu-Legierungen mit 0,5–2% Cu-Anteil, bevorzugt etwa 0,5% Cu in Al, bevorzugt sind. Auf dem AlCu kann sich eine dünne (10–40 nm) TiN Schicht befinden (Antireflexschicht). Auf der Metallschicht befindet sich die erfindungsgemäße Kohlenstoff-Hartmaske mit einer metallseitig angeordneten erfindungsgemäßen Grenzschicht bzw. haftfähigen Schicht 3, die eine Stickstoff-dotierte Kohlenstoffschicht ist. Darüber befindet sich die Kohlenstoffschicht 4 der Kohlenstoff-Hartmaske, die wiederum mit einer Maske 5 aus SiON zur Strukturierung der Kohlenstoff-Hartmaske bedeckt ist. Auf der Maske 5 befindet sich eine bereits strukturierte Resistschicht 6.
  • Mit der in 1 dargestellten Struktur wird ein gerichteter bzw. anisotroper SiON-Trockenätzschritt durch Plasmaätzung mittels fluorhaltigen Plasmen, bevorzugt CHF3, durchgeführt, um die Maskenschicht 5 zu strukturieren. Dieser Zustand ist in 2 gezeigt.
  • Anschließend erfolgt ein weiterer Trockenätzschritt zum Strukturieren der erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Hartmaske mittels anisotropen Trockenätzens mit Sauerstoff enthaltenden Gasen, z.B. O2 + N2. Dieser Zustand ist in 4 dargestellt.
  • Es schließt sich die eigentliche Strukturierung der Metallschicht 2 an, was bevorzugt mit Hilfe chlorhaltiger Plasmen wie BCl3 + Cl2 durchgeführt werden kann. Durch die Verwendung von Kohlenstoff als wesentlicher Teil der Hartmaske kann das Metall sehr selektiv geätzt werden. Die SiON-Schicht wird während des Metallätzens entfernt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Haftschicht treten keine Ablösungen der Kohlenstoff-Hartmaske auf. Dies füht zu sehr selektiven Ätzungen. Dies ist in 4 dargestellt.
  • 5 zeigt den Zustand nach Entfernen der Kohlenstoff-Hartmaske, einschließlich der Haftschicht, mittels Sauerstoffplasmaätzen. Es verbleibt eine strukturierte Metall schicht 2 auf einem Substrat 1. Die Kohlenstoffschicht ist leicht, z.B. durch Sauerstoffplasmabehandlung, entfernbar.
  • Beispiele
  • 1. Klebestreifentests
  • Zunächst wurde die erfindungsgemäße Hartmaske auf ihre Haftungseigenschaft auf Metallen getestet. Als Vergleich wurde eine reine Kohlenstoffschicht untersucht.
  • Dazu wurde eine Al-Schicht von 900 nm Dicke auf einen unprozessierten Si-Wafer aufgebracht. Auf die Al-Schicht wurde mittels PECVD eine Kohlenstoffschicht von 400 nm Dicke abgeschieden. Für den Test der erfindungsgemäßen Hartmasken wurde eine etwa 30 nm dicke mit 10% Stickstoff dotierte Kohlenstoffschicht auf der Al-Schicht erzeugt, indem bei dem PECVD-Verfahren zur Abscheidung von C ein N-Vorläufer beigegeben wurde. Als C-Precursor wurde C3H6 eingesetzt, wobei bei der Erzeugung der N-dotierten C-Schicht N2 beigemengt wurde. Die Gesamtdicke der so erzeugten Kohlenstoff-Hartmaskenschicht betrug 400 nm.
  • Auf obige Proben wurde jeweils ein Haftband (Scotch Crystal Clear Tape) quer über den Wafer unter möglichst gleichem Druck aufgebracht bis es transparent wurde, und danach langsam abgezogen.
  • Im Fall der reinen Kohlenstoffschicht wurde eine Delaminierung beobachtet, so wie dies in 6 und in einer Ansicht des Kantenbereichs des Wafers in Draufsicht in 7 dargestellt ist. Der untere Teil der Darstellung von 7 stellt den Bereich außerhalb des Wafers dar. Die delaminierte Waferkante ist in der Mitte sichtbar und oben befindet sich die Waferoberfläche. Die Abbildungen zeigen spontane Ablösungen am Waferrand, ohne Klebestreifentest. Im Fall der eingeführten Haftschichten konnte jeweils keine Delaminierung beobachtet werden (entsprechend 8). Die obigen Versuche wurden auf AlCu-, Cu-, Wo-, Ta-, TaN- und TiN-beschichteten Substraten wiederholt, wobei die obigen Ergebnisse bestätigt wurden.
  • Beispiel 2 – Herstellen einer Metallstrukturierung
  • Auf einen Si-Wafer mit einer SiO-Passivierungsschicht wurde mittels Sputtern eine Al-Schicht von 950 nm Dicke aufgebracht.
  • Hierauf wurde eine N-dotierte Kohlenstoffschicht von etwa 20 nm mittels PECVD aufgebracht, wobei als Precursor für Kohlenstoff C3H6 verwendet wurde und dem Plasma N2 zugeführt wurde. Der Anteil an zugegebenem N-Precursor wurde so gewählt, dass Stickstoff in der Haftschicht mit etwa 5 Gew.-% vorlag. Die N2-Zugabe wurde gestoppt, nachdem eine Schichtidicke von 15 nm erreicht war. Anschließend wurde der PECVD-Prozess ohne Beigabe des N-Precursors fortgesetzt, so dass eine Kohlenstoffschicht von etwa 250 nm Dicke erzeugt wurde.
  • Die so erhaltene Struktur wurde weiter mit einer SiON-Maske von 25 nm Schichtdicke zur Strukturierung der Kohlenstoffschicht versehen, wobei dies mit PECVD und einem Gemisch aus SiH4, N2O, He geschah. Alternativ wurde eine SiO-Schicht mit gleicher Schichtdicke als Maske auf die gleiche Weise aufgebracht.
  • Schließlich wurde noch ein Resist aufgebracht, der zur Strukturierung der SiON-Schicht diente.
  • Mit der so erhaltenen Struktur wird nun der Resist zur SiON-Öffnung auf bekannte Weise fotolithografisch strukturiert, Öffnungsbreite: ca. 300 nm. Abstände der nicht geätzten Bereiche: ca. 300 nm.
  • Es folgte ein anisotroper Trockenätzschritt durch Plasmaätzen mittels CHF3-Plasma, um die SiON-Schicht zu ätzen.
  • Das anschließende Ätzen der Kohlenstoffschicht und gleichzeitige Entfernen des Resists erfolgte mittels eines Sauerstoff-Ätzplasmaschritts.
  • Das eigentliche Ätzen der Metallschicht konnte dann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Haftschicht selektiv und ohne Ablösung der Kohlenstoffschicht erfolgen, indem ein gerichteter Plasmaätzschritt unter Verwendung eines BCl3/Cl2-Plasmas durchgeführt wurde. Die SiON-Schicht wurde dabei entfernt.
  • Optische Tests zeigten im Gegensatz zu reinen Kohlenstoff-Hartmasken im wesentlichen keine Hartmaskendefekte (7 und 8).
  • Nach Entfernen der Kohlenstoffschicht durch Sauerstoffplasmaätzen erhält man eine auf dem Si-Substrat befindliche strukturierte 950 nm dicke Al-Schicht mit störungsfreien, bis auf das Substrat geätzten Vertiefungen und mit einer Metallbahnbreite von etwa 300 nm. Die fehlerfreien Strukturierungen sind auf elektronenmikroskopischen Aufnahmen erkennbar.
  • Das Verfahren war ebenso erfolgreich, wenn anstelle der N-dotierten Kohlenstoffschicht eine SiO-Schicht oder SiON-Schicht von 15 nm Dicke abgeschieden wurde.
    • 1
    Substrat
    2
    Metall
    3
    Grenzschicht bzw. haftfähige Schicht
    4
    Kohlenstoffschicht
    5
    Maske
    6
    Resist

Claims (7)

  1. Kohlenstoff-Hartmaske mit einer Kohlenstoffschicht und einer haftfähigen Schicht zur Haftung auf Metall oder metallhaltigen anorganischen Materialien; wobei die haftfähige Schicht eine Stickstoff-dotierte Kohlenstoffschicht auf dem Metall oder dem metallhaltigen anorganischen Material ist.
  2. Kohlenstoff-Hartmaske nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoff-Dotierungskonzentration in der haftfähigen Schicht 1 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 5 Gew.-%, beträgt.
  3. Kohlenstoff-Hartmaske nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der haftfähigen Schicht 2 bis 100 nm, bevorzugt 5 bis 30 nm, weiter bevorzugt 15 bis 30 nm, beträgt.
  4. Kohlenstoff-Hartmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Kohlenstoffschicht 80 bis 500 nm, bevorzugt 200 bis 500 nm, beträgt.
  5. Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstoff-Hartmaske mit einer Kohlenstoffschicht und einer haftfähigen Schicht zur Haftung auf Metall oder metallhaltigen anorganischen Materialien, wobei zunächst eine Schicht auf einem metallischen oder metallhaltigem anorganischem Substrat gebildet wird, welche eine Haftung zwischen dem Substrat und dem Kohlenstoff der Kohlenstoff-Hartmaske bewirkt, und anschließend zur Vervollständigung der Kohlenstoff-Hartmaske eine Kohlenstoffschicht auf der haftfähigen Schicht gebildet wird; wobei als auf dem metallischen Substrat haftfähige Schicht eine Stickstoff-dotierte Kohlenstoffschicht gebildet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem metallischen Substrat haftfähige Stickstoff-dotierte Kohlenstoffschicht mittels eines Plasma-gestützten Prozesses zum Aufbringen von Kohlenstoff aufgebracht wird, wobei Stickstoff beigemengt wird.
  7. Verwendung einer Kohlenstoff-Hartmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bei der Strukturierung von metallischen oder metallhaltigen anorganischen Schichten, insbesondere bei der Halbleiterfertigung.
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