DE19513918C1 - Verfahren zur Beschichtung von sub-Mikrometerstrukturen und seine Anwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von sub-Mikrometerstrukturen, insbesondere in höchstintegrierten Schaltkreisen. Sie ist einem breiten Anwendungsfeld insbesondere aber der Mikroelektronik zugänglich. Sie beinhaltet die konforme Abscheidung von anorganischen Schichten, insbesondere von Metall-, Nitrid- und Oxidschichten, auf Strukturen in höchstintegrierten elektronischen Schaltkreisen (z. B. Kontaktlöchern, Gräben) oder auf anderen Substraten, deren Oberfläche ein topographisches Profil mit sehr kleinen Strukturabmessungen von < 1 µm Breite und < 1 µm Tiefe aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt insbesondere die Abscheidung von metallischen Kontaktschichten, z. B. Titan, und Diffusionsbarrieren, z. B. Titannitrid, auf die Kontaktfläche in mikroelektronischen sub-Mikrometerstrukturen mit Aspektverhältnissen von < 1.

Es sind allgemein Verfahren zur Beschichtung mittels Bedampfen bekannt (Pupp/Hart­ mann, Vakuumtechnik, Carl Hanser Verlag München und Wien 1991). Diese Verfahren haben den Nachteil, daß es durch die geradlinige Ausbreitung des Dampfes im Hochvakuum in der Regel zu starken Abschattungen des Grabenbodens durch die oberen Kanten kommt. Bei senkrechten Kanten ist eine vollständigen Beschichtung des Bodens in der Praxis nicht realisierbar. Darüber hinaus eignen sich Aufdampfverfahren nicht für die Herstellung dichter Schichten, aus hochschmelzenden Verbindungen, insbesondere von Titannitrid.

Des weiteren sind Verfahren zur Beschichtung mittels chemischer Dampfabscheidung (CVD) bekannt (z. B. M.J. Buiting, A.F. Otterloo und A.H. Montree, J. Electrochem. Soc. 138, 500 (1991) oder R.M. Fix, R.G. Gordon und D.M. Hoffmann, Chem. Mater 2,235 (1990)). CDV-Verfahren führen zwar zu sehr guten Kantenbedeckungen, d. h. zu sehr konformen Beschichtungen, besitzen aber nachteiligerweise starke Einschränkungen hinsichtlich des Schichtmaterials, da sich für viele Materialien keine geeigneten Prekursoren finden lassen; metallorganische Prekursoren sind oft sehr giftig; viele Prekursoren sind sehr teuer; der Prozeß erfordert häufig hohe Temperaturen, die das Substrat schädigen können und für die Fertigung höchstintegrierter Schaltungen nicht mehr tolerierbar sind. So sind z. B. für die Abscheidung von Titan und Titannitrid aus Titantetrachlorid Substrattemperaturen von 500-600°C notwendig. Metallorganische Prekursoren, z. B. Tetrakis(dimethylamido)-titan führen nicht zu reinen Titannitridschichten, da diese immer mit Kohlenstoff verunreinigt sind.

Darüber hinaus sind Verfahren zur Beschichtung mittels Auf-, Ab- oder Zerstäuben (Sputtern) bekannt (z. B. EP-A-0 280089 oder S.-C. Cheng, A. Sakamoto, H. Tamura, M. Yoshimaru und M. Ino, Jpn. J. Appl. Phys. 32, 1929 (1993)). Bei diesen Verfahren ist von Nachteil, daß bei Gräben und Löchern oder Poren in der Substratoberfläche mit einer sehr geringen Breite von 1 µm oder weniger sowie großem Aspektverhältnis (<1) eine Beschichtung des Bodens gering bleibt oder überhaupt nicht stattfindet und schließlich der Graben oder das Loch ganz zuwächst unter Bildung eines abgeschlossenen Hohlraumes, da mit diesen Verfahren bevorzugt der Graben- oder der Lochrand beschichtet werden.

Schließlich sind noch Verfahren mittels "Collimated Sputtering" bekannt (z. B. Hara, T. Nomura und S.C. Chen, Japanese J. of Appl. Phys. Vol. 31 (1992), S. L1746)). Die Nachteile dieses Verfahrens sind analog denen des oben erwähnten Auf-, Ab- oder Zerstäubens (Sputterns), jedoch quantitativ gemildert. Dafür weist dieses Verfahren weitere Nachteile wie beispielsweise verminderte Beschichtungsgeschwindigkeit(-rate), Partikelprobleme und häufiger Wartungsmaßnahmen wegen Schichtabscheidung am Kollimator. Außerdem ist dieses Verfahren bei Aspektverhältnissen von < 2 nicht mehr einsetzbar.

Außerdem sind verschiedene Verfahren zur Feinstteilchenabscheidung bekannt, bei denen z. B. ein Metalldampf beim Stoß mit kühleren Gas-Atomen zu kleinen Teilchen kondensiert, die sich dann auf dem Substrat als Schicht niederschlagen (z. B. GB 2 170 822 A). Da diese Teilchen jedoch durch die Abkühlung mit einer sehr geringen Energie ausgestattet sind, verfügen sie bei ihrer Ankunft an der Substratoberfläche nur über eine äußerst geringe Oberflächenbeweglichkeit und sind daher nicht in der Lage, allseitig innige chemische Bindungen einzugehen und dichte Schichten zu bilden. Dies wird außerdem durch die gegebene Partikelgröße verhindert, die entsprechend große Poren entstehen läßt.

Es ist nunmehr Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Beschichtung von sub-Mikro­ meterstrukturen vorzuschlagen, mit dem eine konforme Abscheidung dichter Schichten bei Gräben, Löchern oder Poren von den Kanten über die Ränder bis zum Boden bei homogen verteilter Schichtdicke und ohne Einschränkungen hinsichtlich des Schichtmaterials möglich ist, das noch bei einem Aspektverhältnis < 2 einsetzbar ist und mit dem auch Schichten aus hochschmelzenden Verbindungen, wie z. B. Titannitrid, abscheidbar sind.

Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, wenigstens eine der vielfältigen Anwen­ dungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgaben werden verfahrensseitig mit einen Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 13 und anwendungsseitig gemäß Anspruch 14 gelöst.

Bei diesem Verfahren zur Beschichtung von sub-Mikrometerstrukturen, insbesondere in höchstintegrierten Schaltkreisen, wird erfindungsgemäß das Schichtmaterial oder eine oder mehrere Komponenten des Schichtmaterials im Grob- oder Feinvakuum in den gasförmigen Zustand, beispielsweise mittels Kathodenzerstäubung oder Verdampfung, überführt und mit einem kräftigen Gasstrom (Transportgasstrom) zum Substrat befördert. Dabei werden jedoch keine Partikel zur Schichtbildung verwendet, sondern einzelne Atome und Moleküle, ggf. auch Radikale und Ionen, wie sie z. B. beim Kathodenzerstäuben und Verdampfen entstehen. Der Prozeß wird so geführt, daß durch eine sehr geringe Konzentration von Atomen des Schichtmaterials im Inertgasstrom Stöße untereinander nur äußerst selten stattfinden, so daß sich keine Partikel bilden können. Außerdem wird die Zeit für den Weg zum Substrat so kurz gewählt, daß bis zur Deposition keine vollständige Thermalisierung erfolgt. Die praktische Realisierung dieser Bedingungen besteht darin, daß die Atome unmittelbar nach ihrer Verdampfung/Abstäubung sofort dem Gasstrom ausgesetzt werden und im gesamten Raum zwischen Verdampfung/Zerstäubung und Niederschlag kein nennenswerter Druckunterschied besteht. Es handelt sich also physikalisch um die Niederschlagung eines Dampfes ohne vorherige Kondensation zu Mikro- oder Nanopartikeln. Insbesondere wird das Gas auch nicht durch lange Rohre oder Düsen geführt. Dies würde zu einem nahezu vollständigen Materialverlust durch Niederschlagung an diesen Bauteilen führen. Das Schichtmaterial sollte dabei so auf dem Substrat abgeschieden werden, daß sehr kleine und vergleichsweise tiefe Vertiefungen, wie sie bei höchstintegrierten Schaltkreisen üblich sind und die Abmessungen zwischen 0,2 µm bis 10 µm Breite und einer dazu einhalb bis fünffachen Tiefe (d. h. Aspektverhältnisse bis 5,0) aufweisen können, auf der Substratoberfläche am Boden und - je nach Prozeßführung - auch an den Seitenwänden vollständig und mit hoher Geschwindigkeit beschichtet werden, ohne daß Vertiefungen vorzeitig von ihren Rändern her zuwachsen und dabei einen geschlossenen Hohlraum bilden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn der Transportgasstrom, der das Schichtmaterial oder eine oder mehrere Komponenten des Schichtmaterials mit sich führt, senkrecht auf das Substrat trifft und dieses homogen umgibt. Durch den Gasstrom erhalten die Atome und Ionen des abgestäubten Materials neben ihrer statistischen thermischen Bewegung zusätzlich eine gerichtete Bewegung, die ein tiefes Ein­ dringen in eine schmale Vertiefung in der Substratoberfläche erlaubt. Dies führt zu einer besonders bevorzugten Beschichtung des Bodens im Loch bzw. im Graben.

Es hat sich günstig erwiesen, wenn der Transportgasstrom ein intensiver Inertgasstrom ist, wobei als Inertgas vorzugsweise Argon eingesetzt wird, der Prozeßgasdruck im Bereich von 0,1 mbar bis 10 mbar liegt und seine Geschwindigkeit zwischen 10 m/s und 200 m/s beträgt.

Im Falle einer reaktiven Schichtabscheidung ist es von Vorteil, dem Transportgasstrom zusätzlich einen Reaktivgasstrom in der Vakuumkammer zuzuführen, der zur Bildung einer chemischen Verbindung als Schichtmaterial führt. So kann beispielsweise zur Abscheidung einer Titannitrid- bzw. Siliciumdioxidschicht dem Transportgasstrom, der Titan bzw. Silicium enthält, Stickstoff oder Sauerstoff als Reaktivgas zusätzlich zugeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht beispielhaft mehrere Varianten vor, um das Schichtmaterial bzw. eine oder mehrere Komponenten des Schichtmaterials in den gas­ förmigen Zustand zu überführen. Eine Variante sieht vor, das Schichtmaterial oder eine oder mehrere Komponenten des Schichtmaterials mittels einer Hohlkathoden-Glimmentladung in den gasförmigen Zustand zu überführen und mittels des Transportgasstromes durch die Hohlkathode hindurch zum Substrat zu transportieren. Eine zweite Variante sieht vor, daß das Schichtmaterial oder eine oder mehrere Komponenten des Schichtmaterials mittels einer Magnetron-Glimmentladung in den gasförmigen Zustand überführt wird, wobei zwei Magnetrons mit ihren Targetseiten zueinander gerichtet angeordnet sind und der Transportgasstrom durch den Zwischenraum zwischen beiden geführt wird.

Eine weitere dritte Verfahrensvariante sieht vor, das Schichtmaterial oder eine oder mehrere Komponenten des Schichtmaterials durch thermisches Verdampfen in den gasförmigen Zustand zu überführen, wobei der Transportgasstrom quer durch den vom Ver­ dampfungstiegel ausgehenden Dampfstrom geführt wird.

Für die genannten Verfahrensvarianten ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtungsquelle in Längsrichtung deutlich weiter ausgedehnt ist als in Querrichtung und das oder die Substrate durch langsame Bewegung quer zur Längsrichtung der Quelle an dieser vorbeigeführt werden.

Es wurde weiterhin festgestellt, daß die Schichtbildung gezielt durch einen zusätzlichen Ionenbeschuß der Substratoberfläche mit Ionen, die durch eine geeignete Substratvor­ spannung, vorzugsweise eine negative Substratvorspannung (BIAS) von einigen 100 V (je nach Anwendungsfall 50-1000 V), zum Substrat hin beschleunigt werden, beeinflußt wird. Diese Ionen können beispielsweise bei der oben genannten ersten und zweiten Verfahrensvariante aus der für die Kathodenzerstäubung eingesetzten Glimmentladung gewonnen werden. Mit dieser angelegten Substratvorspannung ist die Einstellung definierter Schichteigenschaften, wie beispielsweise die erforderliche Stöchiometrie und Härte, was zum Beispiel bei einer Schicht aus Titannitrid wichtig ist, möglich bzw. die Substratvorspannung wird dazu eingesetzt.

Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft vorteilhaft zur Beschichtung von Halbleitersubstraten, die zur Herstellung elektronischer oder optoelektronischer Bauelemente vorgesehen sind, angewendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß im Gegensatz zu heute bekannten Auf-, Ab- oder Zerstäubungsverfahren eine konforme Schichtabscheidung möglich ist. Das Verfahren kombiniert somit die Vorteile von Auf-, Ab- oder Zerstäubungsverfahren, nämlich die freie Materialauswahl und die Abscheidung reiner Schichtmaterialien mit dem Vorteil von Chemical Vapor Deposition (CVD)-Verfahren, die ebenfalls zur konformen Schichtabscheidung führen, aber hinsichtlich des Schichtmaterials und der Schichtreinheit stark limitiert sind.

Mit diesem Verfahren ist es im Besonderen auch möglich, den Boden, d. h. die Kontaktfläche zum Silicium im höchstintegrierten Schaltkreis zu beschichten. Dies ist besonders wichtig für das Kontaktmaterial, z. B. Titan, und die Diffusionsbarriere, z. B. Titannitrid. Außerdem kann der Graben oder das Loch vollständig mit Schichtmaterial aufgefüllt werden. Es erlaubt auch bei Gräben oder Poren in der Substratoberfläche mit einer sehr geringen Breite von einem m oder weniger, sowie großem Aspektverhältnis (<1) den Boden des Grabens oder des Loches und die Seitenwände mit einer für den Anwendungszweck ausreichend dicken Schicht so zu beschichten, ohne daß der Graben oder das Loch an den Oberkanten schon vorher durch die Beschichtung zuwächst und damit einen abgeschlossenen Hohlraum bildet.

Das Verfahren beruht auf dem Materialabtrag von einer festen Platte ("Target") mittels Kathodenzerstäubung im Fein- oder Grobvakuum und dem Transport dieses Materials zur Substratoberfläche mittels eines starken Inertgasstromes. Bei der Herstellung von Schichten aus Verbindungen kann eine Komponente der Schicht in gasförmiger Form zugeführt werden, was dann infolge chemischer Reaktion auf der Targetoberfläche, auf dem Transportweg zum Substrat oder auf der Substratoberfläche zur Entstehung der gewünschten Verbindung führt. Außerdem kann die Schichtbildung durch eine Substrat­ vorspannung beeinflußt werden.

Die Vorteile des erfindungsgemäße Verfahrens lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• - Das Verfahren ermöglicht im Vergleich zu bekannten Verfahren eine deutlich höhere Beschichtungsgeschwindigkeit des Bodens des Loches oder des Grabens und eignet sich daher besonders zur Schichtabscheidung auf den Kontaktflächen in höchstintegrierten elektronischen Schaltkreisen mit hohen Aspektverhältnissen.
• - In durchgeführten Untersuchungen mit Hohlkathoden-Auf-, Ab- oder Zerstäubungs­ quellen (Hohlkathoden-Sputterquellen) zeigte sich überraschend, daß bei Gräben von 1 µm Breite und 1 µm Tiefe eine sehr gute Bodenbedeckung erreicht wurde, obwohl die Gasstromgeschwindigkeit nur etwa 5% der thermischen Geschwindigkeit der Teilchen betrug.
• - In ähnlichen Versuchen konnte eine nahezu gleichmäßige Bedeckung von Boden, Wänden und Strukturoberseite beobachtet werden.
• - Wird als Sputterquelle eine Hohlkathoden-Gasstromquelle verwendet, so läßt das Verfahren eine sehr hohe Beschichtungsgeschwindigkeit bis zu einigen 10 µm/h zu.
• - Es wird kein Kollimator benötigt und damit die dort auftretende Partikelbildung vermieden. Dadurch ergeben sich sehr wenige Wartungszyklen für die Beschichtungsanlage.
• - Es kann eine große Palette von Schichtmaterialien hergestellt werden.
• - Im Falle der Anwendung einer linearen Hohlkathodenquelle können gleichzeitig mehrere Substrate beschichtet werden, wobei durch eine langsame Substratbewegung quer zur Ausrichtung der Quelle eine sehr homogene Schichtdicke erreicht wird.
• - Durch Anlegen einer Substratvorspannung kann die Schichtbildung durch auftreffende Ionen positiv beeinflußt werden.

Es konnte festgestellt werden, daß die gestellten Aufgaben mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und seiner Anwendung gelöst wurden.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll in nachfolgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Dabei sind in

Bild 1 eine Verfahrensvariante mit einem Auf-, Ab- oder Zerstäubungs(Sputter)- Target oder Verdampfer-Tiegel als Dampfquelle

Bild 2 eine Verfahrensvariante zur Schichtherstellung mittels Hohlkathoden- Gasstromquelle

Bild 3 eine Verfahrensvariante zur Schichtherstellung mittels zweier planarer Magnetron-Quellen oder einer rohrförmigen Magnetronquelle und

Bild 4 eine Verfahrensvariante zur Schichtherstellung mittels linearer Hohl­ kathoden-Gasstromquelle (Querschnittsdarstellung) schematisch skizziert, sowie in

Bild 5 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines mit einer 150 nm dicken Aluminiumoxidschicht mittels linearer Hohlkathoden-Gasstromquelle (Bild 4) beschichteten Loch es von 1 µm Tiefe und 1 µm Breite
dargestellt.

Es wurden Kontaktlöcher in einer SiO₂-Schicht auf einer Silicium-Halbleiterscheibe mit einer Aluminiumoxidschicht (Bild 5) beschichtet. Die Löcher sind 1 µm breit und 1 µm tief. Die Beschichtung erfolgte mit einer Hohlkathoden-Gasstromsputterquelle bei einem Druck von 0,5 mbar (Bild 4). Das Target bestand aus Aluminium, als Reaktivgas wurde Sauerstoff verwendet.

Claims (14)

1. Verfahren zur Beschichtung von sub-Mikrometerstrukturen, insbesondere in höchstintergrierten Schaltkreisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Schichtmaterial oder eine oder mehrere Komponenten des Schichtmaterials im Grob- oder Feinvakuum mittels Kathodenzerstäubung oder Verdampfung in den gasförmigen Zustand überführt und mit einem kräftigen Transportgasstrom zum Substrat befördert wird und daß das Schichtmaterial auf dem Substrat in sehr kleinen und vergleichsweise tiefen Vertiefungen auf der Substratoberfläche am Boden und auch an den Seitenwänden vollständig und mit hoher Geschwindigkeit ohne Bildung eines geschlossenen Hohlraumes abgeschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transportgasstrom mit dem Schichtmaterial senkrecht auf das Substrat geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Transport ein intensiver Inertgasstrom eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas Argon eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einem Prozeßgasdruck von 0,1 bis 10 mbar eine Geschwindigkeit des Transportgasstromes zwischen 10 bis 200 m/s eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen von 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zusätzlich zum Transportgasstrom ein Reaktivgasstrom in die Vakuumkammer eingespeist wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abscheidung von TiN Stickstoff und zur Abscheidung von SiO₂ Sauerstoff als Reaktivgasstrom eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Schichtmaterial oder eine oder mehrere Komponenten des Schichtmaterials mittels einer Hohlkathoden-Glimmentladung in den gasförmigen Zustand überführt und mit dem Transportgasstrom durch die Hohlkathode hindurch zum Substrat transportiert wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüchen von 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Schichtmaterial oder eine oder mehrere Komponenten des Schichtmaterials mittels einer Magnetron-Glimmentladung in den gasförmigen Zustand überführt wird, wobei zwei Magnetrons mit ihren Targetseiten zueinander gerichtet sind und der Transportgasstrom durch den Zwischenraum zwischen beiden geführt wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Schichtmaterial oder eine oder mehrere Komponenten des Schichtmaterials durch thermisches Verdampfen in den gasförmigen Zustand überführt wird, wobei der Transportgasstrom quer durch den vom Verdampfungstiegel ausgehenden Dampfstrom geführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtungsquelle in Längsrichtung (deutlich) weiter ausgedehnt ist als in Querrichtung und daß das oder die Substrate mit langsamer Bewegung quer zur Längsrichtung der Quelle an dieser vorbeigeführt werden.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schichtbildung durch einen zusätzlichen Beschuß der Substratoberfläche mit Ionen, die auch aus der Magnetron-Glimmentladung gewonnen werden können, beeinflußt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenbeschuß mit einer negativen Substratvorspannung zwischen 50 und 1000 V durchgeführt wird.

14. Anwendung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der Ansprüchen von 1 bis 13 zur Beschichtung von Halbleitersubstraten, die zur Herstellung elektronischer oder optoelektronischer Bauelemente vorgesehen sind.