DE112005001470T5

DE112005001470T5 - Abscheidungsvorrichtung zum Erzeugen eines gleichmäßigen Dielektrikums mit niedriger Dielektrizitätskonstante

Info

Publication number: DE112005001470T5
Application number: DE112005001470T
Authority: DE
Inventors: Robert S. Beaverton MCFADDEN; Shurong Hillsboro Liang; Vitaly G. Hillsboro Kasperovich; Mandyam Beaverton Sriram
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2009-04-16
Also published as: CN1961097A; WO2006012048A2; TW200600608A; WO2006012048A3; US20050284371A1

Abstract

Vorrichtung, welche umfaßt:
eine Kammer;
eine in der Kammer angeordnete Waferhalterung; und
eine Gasverteilerplatte mit mehreren, der Waferhalterung zugewandten Öffnungen, wobei die Öffnungen derartig verteilt sind, daß es pro Flächeneinheit weniger Öffnungen nahe einem äußeren Rand der Platte als in einer Mitte der Platte gibt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleiterbearbeitung und spezieller eine Vorrichtung zur chemischen Gasphasenabscheidung und dergleichen.
Stand der Technik und zugehörige Technik
In einem integrierten Schaltkreis werden häufig mehrere Schichten von metallischen Zwischenverbindungsstrukturen eingesetzt. Materialien mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten (low-k) werden in diesen Schichten allgemein bevorzugt, da sie die Kapazität zwischen den in den Schichten gebildeten Leitern reduzieren. Dies erhöht nicht nur die Arbeitsgeschwindigkeit, sondern hilft auch dabei, den Leistungsverbrauch zu reduzieren.
Es hat sich als schwierig erwiesen, eine low-k Dielektrikumschicht mit einer gleichmäßigen Dicke und gleichmäßiger mechanischer Festigkeit über einen gesamten Wafer abzuscheiden. Insbesondere trifft dies für große Wafer zu, wie beispielsweise 300 mm-Wafer.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine graphische Darstellung, welche eine Verteilung des Elastizitätsmodul über einem Wafer mit einer Abscheidungsvorrichtung aus dem Stand der Technik darstellt.
2 ist eine graphische Darstellung, welche die Dicke eines low-k Dielektrikums über einem Wafer mit einer Abscheidungsvorrichtung aus dem Stand der Technik darstellt.
3A ist ein Querschnittsaufriß einer Waferhalterung aus dem Stand der Technik mit einem darauf angeordneten Wafer.
3B ist eine Draufsicht des Halters aus 3A, wobei der Wafer entfernt ist.
4 ist eine Zeichnung einer Abscheidungskammer, welche einen Gasverteilungs-„Showerhead" und eine Waferhalterung darstellt.
5 ist eine Draufsicht auf eine Gasverteilungsplatte, welche in der Vorrichtung aus 4 verwendet wird.
6A ist ein Querschnittsaufriß einer Waferhalterung, die einen Wafer trägt.
6B ist eine Draufsicht der Waferhalterung aus 6A, wobei der Wafer entfernt ist.
7A ist ein Querschnittsaufriß einer alternativen Ausführungsform einer Waferhalterung, die einen Wafer trägt.
7B ist eine Draufsicht der Waferhalterung aus 7A, wobei der Wafer entfernt ist.
8A ist eine Draufsicht einer Waferhalterung, welche die zum Modulieren der Abscheidungsdicke verwendete Trägerstruktur darstellt.
8B ist eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform der Waferhalterung aus 8A.
Detaillierte Beschreibung
Beschrieben werden Verbesserungen einer Vorrichtung zum Abscheiden von Materialien, insbesondere eines low-k Dielektrikums. In der nachfolgenden Beschreibung werden wohlbekannte Bearbeitungsschritte, beispielsweise Bearbeiten mittels chemischer Gasphasenabscheidung, und Kammern für ein solches Bearbeiten nicht im Detail beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verschleiern. In anderen Fällen werden Details, wie beispielsweise Abmessungen, angegeben, um für ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu sorgen. Es wird dem Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich sein, daß die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden kann.
Unter Bezugnahme auf 4 ist darin eine Abscheidungskammer 10 dargestellt, welche eine Waferhalterung 15 aufweist, die einen Wafer 16 trägt. Ein Gasverteilungskopf 12 empfängt das Einlaßgas 13 und verteilt es auf den Wafer 16. Das Gas wird durch eine Platte 18 mit mehreren Öffnungen gestreut und verteilt. Häufig wird eine zusätzliche Pufferplatte 14 verwendet, um das Gas anfänglich zu streuen. Der Gasverteilungskopf wird allgemein als ein „showerhead" bezeichnet.
Die Vorrichtung aus 4 (ohne die spezifische Waferhalterung 15) wird beim Halbleiterbearbeiten häufig für die chemische Gasphasenabscheidung von Schichten verwendet. In einigen Fällen, wie z. B. für ein low-k Dielektrikum, wird die Temperatur, bei der die Schicht abgeschieden wird, relativ niedrig gehalten, um ein Schmelzen von zuvor abgeschiedenen Metallen zu vermeiden. Eine plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) wird in solchen Fällen verwendet. Ein oder mehrere gasförmige reaktive Spezies (gaseous reactors) werden auf die Oberfläche des Wafers gerichtet, unterstützt durch das Verwenden elektrisch geladener Teilchen oder Plasmen. In dem Prozeß werden sowohl Wärme als auch Hochfrequenzenergie verwendet. Eine solche kommerziell verfügbare Vorrichtung ist die ASM Eagle 12 CVD Plattform. Die nachfolgend beschriebenen Verbesserungen können bei dieser und weiteren Plattformen eingesetzt werden.
Die low-k dielektrischen Materialien weisen typischerweise eine schwächere mechanische Festigkeit als dielektrische Materialien mit höherer Dielektrizitätskonstante auf. Wichtig ist, daß die Festigkeit des low-k Materials über den gesamten Wafer hin gleichmäßig ist. Wenn das Material an einer Stelle des Wafers stärker und an einer anderen Stelle schwacher ist, kann es sein, daß das schwächere Material nicht stark genug dazu ist, beispielsweise die durch chemisch-mechanisches Polieren (chemical mechanical polishing, CMP), durch Packaging und durch mit dem täglichen Einsatz verbundene Temperaturwechsel hervorgerufenen Spannungen auszuhalten. Die mechanische Festigkeit wird allgemein durch Heranziehen wenigstens des Elastizitätsmoduls (d. h., des Young'schen Moduls (E)), der Härte und der Kohäsionsfestigkeit (cohesive strength) des Materials festgestellt.
Zusätzlich zu der mechanischen Festigkeit hat das low-k Dielektrikum eine relativ gleichmäßige Dicke über den gesamten Wafer aufzuweisen. Ein Problem, das auftreten kann, wenn diese Dicke zu stark variiert, ist Überätzen oder ein zu geringes Ätzen (under-etching). Über ätzen kann in einem Damascene-Prozeß Leiter in darunter liegenden Schichten zerstören. Ein zu geringes Ätzen kann verhindern, daß eine Viaöffnung einen darunterliegenden Leiter kontaktiert.
1 stellt das Elastizitätsmodul einer low-k Schicht dar, die auf einem 300 mm-Wafer abgeschieden ist. Wie zu erkennen ist, wurde das Modul als am Rand des Wafers größer und als in der Mitte des Wafers kleiner ermittelt. Diese Schicht wurde mit einem kommerziell erhältlichen Abscheidungssystem aus dem Stand der Technik abgeschieden, wovon ein Teil in Verbindung mit den 3A und 3B beschrieben werden wird.
In der graphischen Darstellung nach 1 wird das Elastizitätsmodul als ein Indikator mechanischer Festigkeit verwendet. Wie zuvor erwähnt worden ist, ist dies nur ein Indikator, jedoch ist er charakteristisch für die mechanische Festigkeit der Schicht, da die weiteren Indikatoren diesem Modul häufig folgen.
2 stellt die Schichtdicke über der Oberfläche des 300 mm-Wafers dar. Wie zu erkennen ist, ist die Schicht nahe dem Rand des Wafers dicker und im Zentrum des Wafers dünner. Für einen speziellen Prozeß werden die Datenpunkte jenseits der gepunkteten Linien 25 als nicht akzeptabel angesehen. Die Daten für dieses Beispiel wurden an einer Schicht gemessen, die mit einem kommerziell erhältlichen Abscheidungssystem aus dem Stand der Technik abgeschieden worden ist.
Sowohl 1 als auch 2 sind für das Abscheiden einer Kohlenstoff-dotierten Siliziumdioxidschicht (CDO-Schicht) gezeichnet. Diese Schicht ist eine low-k Schicht, die als ein Zwischenschichtdielektrikum (ILD) für integrierte Schaltkreise verwendet wird.
Die 3A und 3B stellen eine Waferhalterung 30 (die auch als „chuck" bezeichnet wird) dar, welche einen Wafer 32 trägt, wie sie im Stand der Technik verwendet wird. Ein äußerer ringförmiger Träger 34 weist einen äußeren Durchmesser auf, der in etwa gleich dem Durchmesser des Wafers 32 ist.
Während des Abscheidens einer Schicht ist ermittelt worden, daß in einem Prozeß durch eine 1%ige Erhöhung der HF-Leistung die Abscheidungsrate um 1,84 Å pro Sekunde erhöht wurde. Ferner senkte eine 1%ige Erhöhung der Waferhalterungstemperatur die Abscheidungsrate um 1,01 Å pro Sekunde. Die Waferhalterung überträgt sowohl Wärme als auch HF-Leistung an den Wafer.
Es wurde festgestellt, daß dadurch, daß der periphere Bereich oder Rand des Wafers nicht gestützt wird, eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Schichtdicke resultiert. Dies ist anhand von 6A gezeigt, wobei die Waferhalterung 60 ein ringförmiges Trägerelement 62 umfaßt, welches einen geringeren äußeren Durchmesser als der Wafer 61 aufweist. Wie ersichtlich ist, ist der äußere Bereich 66 des Wafers 61 nicht abgestützt. Dies führt dazu, daß weniger Energie an diesen Bereich des Wafers übertragen wird, was einen signifikanten Teil der unerwünschten Verdickung der Schicht in diesem Bereich reduziert. Für einen 300 mm-Wafer ist die Distanz 65, welches die nicht unterstützte Distanz ist, etwa 50 mm oder mehr. Daher ist der äußere Durchmesser des ringförmigen Trägers 62 etwa 200 mm oder weniger für einen 300 mm-Wafer.
In einer alternativen Ausführungsform der Waferhalterung aus 6A werden mehrere Trägerelemente 72 verwendet. Wiederum ist der Wafer 71 jedoch entlang seines Randes 76 nicht gestützt. Wie durch die Abmessung 75 dargestellt ist, ist der Abstand zwischen dem Rand des Wafers 71 und den dem Rand des Wafers nächsten Trägerelementen etwa 50 mm oder mehr für einen 300 mm-Wafer.
In 5 ist die Platte 18 aus 4 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Verteilung von Öffnungen in der Platte gezeigt. Es ist festgestellt worden, daß eine Verteilung von Öffnungen, bei der es, im Vergleich zur Mitte der Platte, weniger Öffnungen pro Flächeneinheit nahe dem äußeren Rand der Platte 18 gibt, die Gleichmäßigkeit der mechanischen Festigkeit der low-k Schicht verbessert.
Wie in dem vergrößerten Abschnitt 60 der Platte 50 zu sehen ist, ist der Abstand D1 geringer als der Abstand D2. Daher liegen die Öffnungen 62 und 63 weiter auseinander als die Öffnungen 64 und 65. Es wurde festgesellt, daß im Vergleich mit einer Platte mit gleichmäßig verteilten Öffnungen diese Verteilung die Festigkeit des abgeschiedenen Materials im Zentralabschnitt des Wafers erhöht und sie zum Rand des Wafers hin vermindert. Hieraus ergibt sich eine gleichmäßigere mechanische Festigkeit.
Es gibt eine Theorie, daß durch diese nicht-gleichmäßige Verteilung die Geschwindigkeit der von der Platte kommenden Gase in den zentralen Abschnitten der Platte größer und zum Rand der Platte hin geringer ist. Dies wiederum bewirkt, daß die mechanische Festigkeit im Zentralabschnitt der Schicht größer und am äußeren Rand der Schicht geringer im Vergleich zu einer Schicht ist, die mit Hilfe einer Platte mit gleichförmig verteilten Öffnungen gebildet wird. Somit wird für eine Kompensation des nicht-gleichmäßigen E, gezeigt in 1, gesorgt.
Für einen 300 mm-Wafer weist die Platte 50 einen Durchmesser von etwa 340 bis 350 mm auf, und die Öffnungen, wie beispielsweise Öffnungen 62 bis 65, weisen einen gleichmäßigen Durchmesser von etwa 0,5 mm auf. Zum Rand der Platte 18 hin kann D2 gleich 6 bis 60 mm sein, und D1, in der Mitte der Platte, kann gleich 3 bis 5 mm sein, um ein Beispiel zu geben.
Die 8A und 8B stellen Waferhalterungen dar, bei denen einige Träger 80 in 8A und Träger 81 in 8B an oder nahe dem Waferrand vorgesehen sind. Dies kontrastiert zu der kontinuierlichen Abstützung, die durch das ringförmige Element 34 aus dem Stand der Technik nach 3A und 3B geliefert wird. Somit wird weniger Energie an den Rand des Wafers übertragen, als dies in den 3A und 3B der Fall ist. Jedoch wird mehr Energie als bei den Waferhalterungsausführungsformen nach den 6 und 7 übertragen.
Die Waferhalterung nach den 8A und 8B erlaubt das Modulieren einer Dicke der Schicht zum Rand des Wafers hin. Es kann ein Ziel für die Schichtdicke am Rand des Wafers festgesetzt und dann realisiert werden, beispielsweise durch empirisches Ausprobieren unterschiedlicher Anzahlen und Durchmesser für die Träger 80 und 81. Dies ermöglicht das Herstellen einer an den Rändern im Vergleich zum zentralen Abschnitt des Wafers kontrolliert dickeren Schicht.
Eine Schicht, welche am Rand eine erhöhte Dicke aufweist, die gewählt werden kann, kann nützlich sein. Beispielsweise kann da, wo ein spezieller Ätzprozeß am Rand des Wafers schneller als in der Mitte des Wafers ätzt, eine solche Nicht-Gleichmäßigkeit notwendig sein. Eine am Rand des Wafers geringfügig dickere Schicht kompensiert dann dafür, daß in diesem Bereich ein stärkeres Ätzen stattfindet.
Somit sind Verbesserungen speziell für einen PECVD Prozeß beschrieben worden. Durch Anpassen der Träger für den Wafer und dementsprechendes Anpassen der Verteilung der an den Wafer übertragenen Energie kann eine größere Gleichmäßigkeit der Schichtdicke erzielt werden. Durch Anpassen der Gasverteilung über dem Wafer kann eine größere Gleichmäßigkeit der mechanischen Festigkeit der Schicht erzielt werden.
Zusammenfassung
Beschrieben werden Verbesserungen an einer PECVD-Kammer, um eine bessere Gleichmäßigkeit der Schichtdicke und mechanischen Festigkeit zu erreichen. Für den äußeren Rand des Wafers wird eine geringere Kontaktfläche vorgesehen, und eine nicht gleichmäßige Gasverteilung tritt aufgrund von Anpassungen der Gasverteilungsplatte auf, um für diese Gleichmäßigkeit zu sorgen.

Claims

Vorrichtung, welche umfaßt: eine Kammer; eine in der Kammer angeordnete Waferhalterung; und eine Gasverteilerplatte mit mehreren, der Waferhalterung zugewandten Öffnungen, wobei die Öffnungen derartig verteilt sind, daß es pro Flächeneinheit weniger Öffnungen nahe einem äußeren Rand der Platte als in einer Mitte der Platte gibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Platte einen Durchmesser von etwa 300 mm oder mehr aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Öffnungen einen Durchmesser von etwa 0,5 mm aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Waferhalterung einen Wafer auf einem ringförmigen Träger trägt, wobei der ringförmige Träger einen äußeren Durchmesser aufweist, der kleiner als der Durchmesser eines von der Waferhalterung getragenen Wafers ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Waferhalterung dazu eingerichtet ist, Wafer von etwa 300 mm Durchmesser aufzunehmen, und wobei die äußere Abmessung des ringförmigen Trägers etwa 200 mm oder weniger beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Waferhalterung dazu eingerichtet ist, einen Wafer aufzunehmen und mehrere Träger umfaßt, auf denen der Wafer ruht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Träger vom Rand eines Wafers, der an der Waferhalterung anliegt, um einen Abstand von etwa 50 mm oder mehr versetzt angeordnet sind.
Vorrichtung, welche umfaßt: eine Kammer; eine Gasverteilerplatte mit mehreren Öffnungen; und eine in der Kammer angeordnete Waferhalterung, die den Öffnungen der Gasverteilerplatte zugewandt ist, wobei die Waferhalterung einen ringförmigen Träger aufweist, auf der ein Wafer ruht, wobei der ringförmige Träger vom Rand des an der Halterung anliegenden Wafers versetzt angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Waferhalterung einen 300 mm-Wafer aufnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der ringförmige Träger einen Durchmesser von etwa 200 mm oder weniger aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Öffnungen der Platte derart verteilt sind, daß es pro Einheit weniger Öffnungen nahe einem äußeren Rand der Platte als in der Mitte der Platte gibt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Platte einen Durchmesser von etwa 300 mm oder mehr aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Öffnungen einen Durchmesser von etwa 0,5 mm aufweisen.
Vorrichtung, welche umfaßt: eine Kammer; eine in der Kammer angeordnete Waferhalterung, wobei die Waferhalterung einen ringförmigen Träger aufweist, auf der ein Wafer ruht, wobei der ringförmige Träger vom Rand des an der Halterung anliegenden Wafers versetzt angeordnet ist; und eine Gasverteilerplatte mit mehreren, der Waferhalterung zugewandten Öffnungen, wobei die Öffnungen derart verteilt sind, daß es pro Flächeneinheit weniger Öffnungen nahe einem äußeren Rand der Platte als in einer Mitte der Platte gibt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Platte einen Durchmesser von etwa 300 mm oder mehr aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Waferhalterung dazu eingerichtet ist, Wafer von etwa 300 mm Durchmesser aufzunehmen, und die äußere Abmessung des ringförmigen Trägers etwa 200 mm oder weniger ist.
Verfahren zum Wählen der Dicke einer Schicht am Rand eines Wafers, welche in einer PECVD-Kammer abgeschieden wird, umfassend: Reduzieren einer Kontaktfläche zwischen dem Wafer und der Waferhalterung am Rand des Wafers; und Bilden einer Schicht auf dem Wafer mit der reduzierten Fläche.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Reduzieren der Kontaktfläche ein Vorsehen mehrerer Trägerelemente umfaßt, die zum Tragen des Wafers voneinander beabstandet angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Reduzieren der Kontaktfläche ein Vorsehen eines ringförmigen Trägers umfaßt, welcher einen äußeren Durchmesser aufweist, der geringer als der Durchmesser des Wafers ist.