DE19857527A1 - Verfahren zum Bestimmen des Beendigungszeitpunkts einer Plasmabehandlung bei der Halbleiterherstellung - Google Patents

Verfahren zum Bestimmen des Beendigungszeitpunkts einer Plasmabehandlung bei der Halbleiterherstellung

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Abstract

Verfahren zum Bestimmen des Beendigungszeitpunktes einer Plasmabehandlung bei der Halbleiterherstellung, insbesondere der Plasmabehandlung einer durch eine chemische Abscheidung aus der Gasphase (chemical-vapor depostion, CVD) hergestellten Zwischenschicht auf einem Halbleiterwafer, beispielsweise einer auf TiN basierenden Barriereschicht. Herkömmlich ist der Beendigungszeitpunkt der Plasmabehandlung von vornherein festgelegt, was dazu führen kann, daß die Barriereschicht entweder unzureichend oder übermäßig behandelt wird und die daraus resultierende Barriereschicht einen hohen spezifischen Widerstand aufweist bzw. der Durchsatz bei der Waferherstellung gering ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, daß der Plasmabehandlungsprozeß in einer dynamischen Weise, auf der momentanen Kohlenstoffkonzentration des Restgases im CVD--Reaktor basierend, beendet wird. Das Verfahren weist einen ersten Schritt, in dem eine in-situ Restgasanalyse (RGA) des Restgases während des Plasmabehandlungsprozesses ausgeführt wird, um die momentane Kohlenstoffkonzentration des Restgases im CVD-Reaktor zu ermitteln, und einen zweiten Schritt auf, der den Plasmabehandlungsprozeß beendet, wenn die momentane Kohlenstoffkonzentration des Restgases einen vorbestimmten Wert erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Beendigungszeitpunkts einer Plasmabehandlung, welches durch Verwenden einer Restgasanalyse (RGA) zum Ermitteln der Restgase während der Plasmabehandlung einer Zwischenschicht, beispielsweise einer durch eine chemische Abscheidung aus der Gasphase (chemical-vapor-depostion, CVD) hergestellten Barriereschicht auf einem Halbleiterwafer, charakterisiert wird.
Aluminium und Wolfram sind die zwei am häufigsten verwendeten Metalle im Metallisierungsprozeß bei der Herstellung von VLSI- Halbleitern (very large-scale-integration). Aluminium weist einen sehr niedrigen spezifischen Widerstand auf und ist daher zur Verwendung als Verbindungsleitung zwischen verschiedenen Baulementen eines integrierten Schaltkreises geeignet. Eine Metallisierungsschicht aus Aluminium wird herkömmlich durch Sputtern hergestellt. Wolfram weist einen höheren spezifischen Widerstand als Aluminium auf. Eine Metallisierungsschicht aus Wolfram kann jedoch durch einen CVD-Prozeß hergestellt werden. Daher kann eine Metallisierungsschicht aus Wolfram einfacher als eine Metallisierungsschicht aus Aluminium hergestellt werden. Die Wolframschicht weist außerdem eine bessere Stufen­ abdeckung auf und ist einfacher zu ätzen als die Metallisierungsschicht aus Aluminium. Durch diese Vorteile eignet sich Wolfram zur Verwendung als Verbindung zwischen durch dielektrische Schichten getrennten verschiedenen Metallisierungsschichten. Ein Nachteil bei der Verwendung von Aluminium ist, daß an den Auflagestellen zwischen der Metallisierungsschicht aus Aluminium und dem Siliziumsubstrat leicht. Spitzenbildungen infolge unerwünschter Diffusion auftreten, welche durch die Hochtemperaturumgebung, welcher der Wafer während des thermischen Prozesses ausgesetzt ist, verursacht wird. Diese Spitzenbildungen wirken sich nachteilig auf die Quälität der hergestellten integrierten Schaltkreise aus. Die Anwendung von Wolfram für die Metallisierung ist ebenso nicht zufriedenstellend, da die Metallisierungsschicht aus Wolfram sehr schlecht auf dem Siliziumsubstrat haftet. Eine Lösung dieser Probleme ist, eine Barriereschicht zwischen der Metallisierungsschicht aus Aluminium oder Wolfram und dem Siliziumsubstrat vorzusehen. Dies kann dazu beitragen, das Auftreten von Spitzenbildungen zwischen der Aluminium-Metal­ lisierungsschicht und dem Siliziumsubstrat zu verhindern bzw. die Haftung zwischen der Wolfram-Metallisierungsschicht und dem Siliziumsubstrat zu erhöhen.
Titannitrid (TiN) ist zur Zeit das meist verwendete Material zur Herstellung von Barriereschichten in VLSI-ICs. Zur Herstellung von auf TiN basierenden Barriereschichten wird typischerweise physikalische Abscheidung aus der Gasphase (physical vapor deposition, PVD) verwendet. In der Praxis sollte jedoch die auf TiN basierende Barriereschicht ferner mit einer Titanschicht (Ti) kombiniert werden, um den ohmschen Kontakt zwischen der Metallisierungsschicht und dem Silizium­ substrat zu erhöhen. Die Barriereschicht weist daher eine kombinierte Ti/TiN-Struktur auf. In dem Falle von Verbindungs­ anschlüssen und Verbindungsleitungen kann, da diese das Siliziumsubstrat nicht direkt kontaktieren, als Barriereschicht eine einzige TiN-Schicht ohne zusätzliche Ti-Schicht verwendet werden.
Ein Nachteil bei der Verwendung des PVD-Verfahrens zur Herstellung einer auf TiN basierenden Barriereschicht ist jedoch, daß die Stufenabdeckung im Submikrobereich der Integration schlecht ist, was zu einer unerwünschten Ausbildung von Unterbrechungen in der auf der Barriereschicht nachfolgend ausgebildeten Metallisierungsschicht führt. Eine Lösung dieses Problem ist es, ein CVD-Verfahren anstatt des PVD-Verfahrens zur Herstellung der auf TiN basierenden Barriereschicht zu verwenden. Bei dem CVD-Verfahren kann beispielsweise Tetrakisdimethylaminotitan (TDMAT) - Ti[N(CH3)2]4 als Reaktand gewählt und ein thermischer Zersetzungsprozeß ausgeführt werden, indem das gasförmige TDMAT einem Druck von 1,5 Torr und einer Temperatur von 375°C bis 400°C ausgesetzt wird. Unter diesen Bedingungen wird das TDMAT in Titancarbonitrid - Ti(C)N, Dimethylamin - (CH3)2NH und Kohlenwasserstoff zersetzt. Die Ti(C)N-Verbindung wird dann auf dem Wafer abgelagert, um eine kohlenstoffhaltige TiN-Schicht auszubilden, die als die gewünschte Barriereschicht dient.
Ein Nachteil des oben beschriebenen CVD-Prozesses ist jedoch, daß der spezifische Widerstand hoch ist, da die resultierende TiN-Schicht Kohlenstoff aufweist. Um den spezifischen Widerstand zu reduzieren, sollte die TiN-Schicht einer Plasmabehandlung unterzogen werden, um den Kohlenstoff in der TiN-Schicht zu verarmen.
Fig. 1 ist ein Flußdiagramm, welches die in einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung einer Barriereschicht durch einen CVD-Prozeß und einen Plasmabehandlungsprozeß involvierten Prozeßschritte darstellt.
Wie aus dem ersten Schritt 10 ersichtlich, wird ein Wafer vorbereitet. Danach wird durch Plazieren des Wafers in einem CVD-Reaktor ein thermischer Prozeß an dem Wafer ausgeführt.
Im nachfolgenden Schritt 12 wird eine Barriereschicht auf dem Wafer ausgebildet, indem ein thermischer Zersetzungsprozeß von Tetrakisdimethylaminotitan (TDMAT) - Ti[N(CH3)2]4, welches sich dadurch in Ti(C)N, (CH3)2NH und Kohlenwasserstoff zersetzt, ausgeführt wird. Die Ti(C)N-Verbindung wird dann auf den Wafer abgelagert, um eine kohlenstoffhaltige TiN-Schicht, die als Barriereschicht dient, auszubilden, während die (CH3)2NH- Verbindung und der Kohlenwasserstoff mit Hilfe eines Ablaßsystems oder eines Vakuumsystems des CVD-Reaktors aus diesem abgesaugt werden.
Im nächsten Schritt 14 wird ein Plasmabehandlungsprozeß an der resultierenden Barriereschicht unter Verwenden von ionisiertem Stickstoff und Wasserstoff (N2/H2) als Plasma ausgeführt; Durch diesen Prozeß kann der Kohlenstoff in der Barriereschicht verarmt werden, wodurch der spezifische Widerstand der Barriereschicht verringert wird.
Die vorhergehenden Schritte 10 bis 14 werden wiederholt ausgeführt. Bei jeder Ausführung kann jeweils nur eine dünne, elastische Barriereschicht mit einer elastischen Struktur ausgebildet werden, da darin Kohlenstoff- und Sauerstoff­ verunreinigungen enthalten sind. Die wiederholte Ausführung der Schritte 10 bis 14 kann dazu beitragen, die Schichtdicke der Barriereschicht zu erhöhen und ebenso zu ermöglichen, daß die resultierende Barriereschicht eine steife Struktur aufweist.
Im abschließenden Schritt 16 wird ein Pump/Auslaßprozeß ausgeführt, um das verbliebene Restgas mit Hilfe des Ablaß­ systems oder des Vakuumsystems des CVD-Reaktors aus diesem abzusaugen. Dies vervollständigt die Herstellung der Barri­ ereschicht.
In dem vorhergehenden Prozeß ist der Beendigungszeitpunkt des Plasmabehandlungsprozesses, d. h. der Zeitpunkt, zu dem der Plasmabehandlungsprozeß abgeschlossen wird, durch eine vorbestimmte Zeitdauer der Plasmabehandlung festgelegt. Diese Methode weist jedoch verschiedene Nachteile auf. Erstens kann die festgelegte Zeitdauer für den Plasmabehandlungsprozeß unzureichend sein, wodurch eine Barriereschicht ausgebildet wird, die noch immer Kohlenstoff enthält und dadurch einen hohen spezifischen Widerstand und einen schlechten ohmschen Kontakt aufweist. Zweitens, wenn die festgelegte Zeitdauer übermäßig lang ist, kann die Plasmabehandlung eine Beschädigung des Wafers verursachen. Drittens, wenn die festgelegte Zeitdauer übermäßig lang ist, wird der Durchsatz bei der Waferherstellung verringert.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen des Beendigungszeitpunktes der Plasmabehandlung bei einer durch einen CVD-Prozeß hergestellten Zwischenschicht bereitzustellen, so daß der Plasmabehandlungsprozeß in einer dynamischen Weise zu der Zeit, zu der die Plasmabehandlung zufriedenstellend ist, beendet werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen des Beendigungs­ zeitpunktes der Plasmabehandlung weist einen ersten Schritt, in dem eine in-situ-Restgasanalyse des Restgases während des Plasmabehandlungsprozesses ausgeführt wird, und einen zweiten Schritt auf, mit dem der Plasmabehandlungsprozeß basierend auf den Ergebnissen der Restgasanalyse des Restgases beendet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die Verwendung eines Restgasanalysators zur Ermittlung der momentanen Kohlenstoffkonzentration des Restgases im CVD-Reaktor charakterisiert. Erreicht die momentane Kohlenstoff­ konzentration einen vorbestimmten Wert, der nahe Null liegt, so wird der Plasmabehandlungsprozeß beendet. Dies ermöglicht, den Plasmabehandlungsprozeß in einer dynamischen Weise zu beenden und nicht nach Ablauf einer festgelegten Zeitdauer, wie nach dem Stand der Technik. Folglich kann der Kohlenstoff in der Barriereschicht verarmt werden, um dadurch zu ermöglichen, daß die Barriereschicht einen niedrigen spezifischen Widerstand und einen besseren ohmschen Kontakt aufweist. Darüberhinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu beitragen, eine Beschädigung des Wafers infolge einer übermäßig langen Plasmabehandlung zu verhindern und den Durchsatz bei der Waferherstellung zu erhöhen.
Die Erfindung wird anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert, in der zeigen:
Fig. 1 ein Flußdiagramm, welches die in einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung einer Barriereschicht durch einen CVD-Prozeß und einen Plasmabehandlungsprozeß involvierten Prozeßschritte darstellt; und
Fig. 2 ein Flußdiagramm, welches die im Verfahren zum Bestimmen des Beendigungszeitpunktes der Plasmabehandlung einer durch einen CVD-Prozeß und Plasmabehandlung hergestellten Materialschicht involvierten Prozeßschritte gemäß der Erfindung darstellt.
Fig. 2 ist ein Flußdiagramm, das die in einem Verfahren zur Herstellung einer Zwischenschicht, beispielsweise einer Barriereschicht, auf einem Halbleiterwafer involvierten Schritte darstellt, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen des optimalen Beendigungszeitpunktes der Plasmabehandlung der Barriereschicht angewendet wird, um dadurch zu ermöglichen, daß der Plasmabehandlungsprozeß in einer dynamischen Weise zu der Zeit, zu der die Plasmabe­ handlung ausreichend ist, beendet wird.
Wie aus Schritt 20 ersichtlich, wird ein Halbleiterwafer vorbereitet. Danach wird durch Plazieren des Wafers in einen CVD-Reaktor ein thermischer Prozeß an dem Wafer ausgeführt.
Im nachfolgenden Schritt 22 wird durch Ausführen eines CVD- Prozesses eine Barriereschicht auf dem Wafer ausgebildet. Bei diesem Prozeß ist der erste Schritt die Ausführung eines thermischen Zersetzungsprozesses von Tetrakisdimethylaminotitan (TDMAT) - Ti[N(CH3)2]4, welches sich dadurch in Ti(C)N,(CH3)2NH und Kohlenwasserstoff zersetzt. Die Ti(C)N-Verbindung wird dann auf dem Wafer abgelagert, um eine kohlenstoffhaltige TiN- Schicht, die als Barriereschicht dient, auszubilden, während die (CH3)2NH-Verbindung und der Kohlenwasserstoff mit Hilfe des Ablaßsystems oder des Vakuumsystems des CVD-Reaktors aus diesem abgesaugt werden.
Im nächsten Schritt 24 wird ein Plasmabehandlungsprozeß an der auf TiN basierenden Barriereschicht unter Verwenden von ionisiertem Stickstoff und Wasserstoff (N2/H2) als Plasma ausgeführt. Durch diesen Prozeß kann der Kohlenstoff in der Barriereschicht verarmt werden, wodurch der spezifische Widerstand der Barriereschicht verringert wird.
Charakterisierend für die Erfindung ist, daß ein Restgas­ analysator im CVD-Reaktor verwendet wird, um eine in-situ- Restgasanalyse (RGA) der Kohlenstoffkonzentration des Restgases im CVD-Reaktor auszuführen und dadurch den Beendigungszeitpunkt des Plasmabehandlungsprozesses zu bestimmen. Die Kohlenstoffkonzentration des Restgases nimmt über die Zeit der Ausführung des Plasmabehandlungsprozesses allmählich ab. Liegt die Kohlenstoffkonzentration unter einem bestimmten Wert nahe Null, so wird dadurch angezeigt, daß der Plasmabehandlungsprozeß beendet werden kann. Erreicht die durch den Restgasanalysator ermittelte momentane Kohlenstoffkonzentration des Restgases im CVD-Reaktor einen vorbestimmten Wert nahe Null, so wird der Plasmabehandlungs­ prozeß beendet.
Die vorhergehenden Schritte 20 bis 24 werden wiederholt ausgeführt. Bei jeder Ausführung kann jeweils eine nur dünne, elastische Barriereschicht mit einer elastischen Struktur ausgebildet werden, da in der Barriereschicht Kohlenstoff- und Sauerstoffverunreinigungen enthalten sind. Die wiederholte Ausführung der Schritte 20 bis 24 kann dazu beitragen, die Schichtdicke der Barriereschicht zu erhöhen und ebenso zu ermöglichen, daß die resultierende Barriereschicht eine steife Struktur aufweist.
Im abschließenden Schritt 26 wird ein Pump/Auslaßprozeß ausgeführt, um das verbliebene Restgas mit Hilfe des Ablaßsystems oder des Vakuumsystems des CVD-Reaktors aus diesem abzusaugen. Dies vervollständigt die Herstellung der Barriereschicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch charakterisiert, daß ein Restgasanalysator im CVD-Reaktor verwendet wird, um die momentane Kohlenstoffkonzentration des Restgases im CVD-Reaktor zu ermitteln und dadurch den Beendigungszeitpunkt des Plasmabehandlungsprozesses zu bestimmen. Erreicht die derzeitige Kohlenstoffkonzentration einen vorbestimmten Wert nahe Null, so wird der Plasmabehandlungsprozeß beendet. Dies ermöglicht, den Plasmabehandlungsprozeß eher in einer dynamischen Weise zu beenden als in einer festgelegten Weise, wie nach dem Stand der Technik. Der Kohlenstoff in der Barriereschicht kann folglich verarmt werden, um zu ermöglichen, daß die Barriereschicht einen niedrigen spezifischen Widerstand und einen hohen ohmschen Kontakt aufweist. Darüberhinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu beitragen, eine Beschädigung des Wafers infolge einer übermäßig langen Plasmabehandlung zu verhindern und den Durchsatz bei der Waferherstellung zu erhöhen.

Claims (15)

1. Verfahren zum Bestimmen des Beendigungszeitpunkts einer Plasmabehandlung einer auf einem Halbleiterwafer ausgebildeten Zwischenschicht, bei dem:
eine in-situ-Restgasanalyse des Restgases während des Plasmabehandlungsprozesses ausgeführt wird;
der Plasmabehandlungsprozeß basierend auf den Ergebnissen der Restgasanalyse des Restgases beendet wird; und
das verbliebene Restgas entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Zwischenschicht durch einen CVD-Prozeß hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Zwischenschicht eine Barriereschicht ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Zwischenschicht eine TiN-Schicht ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Zwischenschicht durch die folgenden Schritte ausgebildet wird:
Plazieren des Wafers in einem Ablagerungsreaktand;
Ausführen eines thermischen Zersetzungsprozesses des Ablagerungsreaktands, um den Reaktand in eine Mehrzahl von Produkten zu zersetzen; und
Ausführen eines CVD-Prozesses mit den aus dem thermischen Zersetzungsprozeß resultierenden Produkten.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Ablagerungsreaktand Tetrakisdimethylaminotitan ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der thermische Zer­ setzungsprozeß bei einer Temperatur von 375°C bis 400°C ausgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der thermische Zersetzungsprozeß ausgeführt wird, indem der Reaktand einem Druck von 1,5 Torr ausgesetzt ist.
9. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die aus dem thermischen Zersetzungsprozeß resultierenden Produkte Titancarbonitrid aufweisen.
10. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die aus dem thermischen Zersetzungsprozeß resultierenden Produkte Dimethylamin aufweisen.
11. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die aus dem thermischen Zersetzungsprozeß resultierenden Produkte Kohlenwasserstoff aufweisen.
12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Plasmabehandlungs­ prozeß ionisierten Stickstoff und Wasserstoff als Plasma verwendet.
13. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die momentane Kohlen­ stoffkonzentration des Restgases durch einen Restgasanalysator ermittelt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Restgasanalyse zur Ermittlung der Kohlenstoffkonzentration des Restgases ausgeführt wird.
15. Verfahren zum Bestimmen des Beendigungszeitpunkts einer in einem CDV-Reaktor ausgeführten Plasmabehandlung einer auf einem Halbleiterwafer ausgebildeten Barriereschicht, bei dem:
eine in-situ-Restgasanalyse des Restgases im CVD-Reaktor während des Plasmabehandlungsprozesses ausgeführt wird, wobei die momentane Kohlenstoffkonzentration des Restgases im CVD- Reaktor ermittelt wird; und
der Plasmabehandlungsprozeß beendet wird, wenn die momentane Kohlenstoffkonzentration des Restgases einen vorbestimmten Wert erreicht.
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