DE4040061C2 - Verfahren zur korrosionshindernden Herstellung einer strukturierten Verbindungsschicht - Google Patents
Verfahren zur korrosionshindernden Herstellung einer strukturierten VerbindungsschichtInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein
Verfahren zur korrosionshindernden Herstellung einer strukturierten Verbindungsschicht.
In einem Herstellungsverfahren einer Halbleitereinrichtung
ist der Schritt der Herstellung einer strukturierten Verbin
dungsschicht ein unentbehrlicher Verfahrensschritt. Die
Fig. 4A und 4B sind Querschnittsdarstellungen, die den
Schritt der Herstellung der strukturierten Verbindungsschicht
zeigen.
Wie in Fig. 4A gezeigt, sind ein Gate 31 und eine Zwischen
isolierschicht 32 auf einem Halbleitersubstrat 30 gebildet.
In der Zwischenisolierschicht 32 sind ein Kontaktloch 33b
zum Freilegen der Source/Drain-Gebiete (nicht gezeigt)
des Transistors und ein Kontaktloch 33a zum Freilegen eines
Teils der Oberfläche des Gates 31 ausgebildet. Auf der Zwi
schenisolierschicht 32 ist ein Stoppermetall 40, etwa TiN
oder ein ähnliches, derart ausgebildet, daß die Seitenwand
und der Boden der Kontaktlöcher 33a und 33b bedeckt sind.
Auf dem Stoppermetall 40 ist eine die Kontaktlöcher 33a und
33b ausfüllende Verbindungsschicht 34 aus einer Aluminium
legierung gebildet.
Die Gründe für die Bildung der Stoppermetallbereiche 40 sind
die folgenden: im allgemeinen wird Silizium in einem Prozent
satz von 1-5% in die Verbindungsschicht 34 aus der Alu
miniumlegierung eingemischt. Damit wandern, wenn keine
Stoppermetallschicht 40 angebracht wird, Aluminiumatome von
der Verbindungsschicht 34 in das Halbleitersubstrat 30
(Siliziumsubstrat), und Siliziumatome wandern vom Halbleiter
substrat 30 in die Verbindungsschicht 34. Dieses Wandern
der Atome verursacht Defekte in der Verbindungsschicht 34.
Daher ist das Stoppermetall 40 notwendig.
Auf der Verbindungsschicht 34 wird ein in einer vorgegebenen
Form strukturierter Resist 35 ausgebildet.
Wie in Fig. 4A und 4B gezeigt, wird durch selektives Ätzen
der Verbindungsschicht 34 unter Verwendung des Resists 35
als Maske eine strukturierte Verbindungsschicht 36 ausgebil
det.
In einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung struktu
rierter Verbindungsschichten aus Aluminiumlegierungen wird
die Verbindungsschicht 34 aus der Aluminiumlegierung unter
Verwendung des Resists 35 einem Naßätzprozeß unter Verwendung
einer gemischten Lösung von Phosphorsäure, Schwefelsäure
und anderem ausgesetzt. Diese Methode ist jedoch bei der
Ausbildung von Mikrostrukturen von 3 µm oder weniger proble
matisch infolge des verstärkten Ätzens unterhalb des Masken
musters 35, des sogenannten Unterätzens.
Dem Unterätzen und gleichzeitig der Korrosion der Verbindungsschicht
wird gemäß US 46 68 335 durch modifiziertes
Naßätzverfahren mit Eintauchen des Wafers in eine schwach
basiche und ggf. zusätzlich eine stark saure Lösung nach
dem Ätzen zu begegnen versucht. Dennoch hat sich
für die Erzeugung derartiger Mikrostrukturen ein Verfahren
unter Verwendung des reaktiven Ionenätzens (im folgenden
bezeichnet als RIE-Ätzen) eingebürgert, das ein Chlorgas
oder eine Chlor enthaltende Verbindung, d. h. Cl2, SiCl4,
BCl3, oder ähnliches verwendet.
Im folgenden wird eine detaillierte Beschreibung des herkömm
lichen Verfahrens zur Herstellung strukturierter Verbindungs
schichten mittels des RIE-Ätzprozesses sowie weiterhin der
Nachteile dieser Methode gegeben.
Wie in Fig. 5A gezeigt, ist auf einem Halbleitersubstrat
1 eine untere Isolierschicht 2 ausgebildet. Auf der unteren
Isolierschicht 2 ist ein Stoppermetall 3, etwa TiN, gebildet.
Danach ist auf dem Stoppermetall 3 eine Metallverbindungs
schicht 4, etwa AlSi, AlSiCu, Mg oder ähnliche gebildet.
Auf der Metallverbindungsschicht 4 ist eine Resistmaske 5
einer vorgegebenen Struktur ausgebildet.
Wie in Fig. 5A und 5B gezeigt, unterliegen die Metallverbin
dungsschicht 4 und das Stoppermetall 3 einem reaktiven Ionen
ätzen unter Verwendung eines Halogengases, das Chlor enthält,
wie Cl2, SiCl4, BCl3 oder ähnliches, unter Verwendung der
Resistmaske 5. Dieses reaktive Ionenätzen bewirkt selektives
Ätzen der Metallverbindungsschicht 4 und des Stoppermetalls
3, was zur Ausbildung einer strukturierten Verbindungsschicht
4a führt. Zu diesem Zeitpunkt wird auf den Seitenwänden der
Resistmaske 5 und der strukturierten Verbindungsschicht 4a
eine halogenhaltige Schutzschicht 6 ausgebildet. Diese
Schutzschicht 6 dient der Unterdrückung des isotropen Ätzens
und der Verstärkung der Anisotropie. Die Schutzschicht 6
entsteht durch eine komplizierte Reaktion von Bestandteilen
des Resists, der Verbindungsschicht und des Halogengases.
Dann wird durch Abwaschen der Resist 5 entfernt, um die Aus
bildung der strukturierten Verbindungsschicht abzuschließen.
Wird jedoch diese Halbleitereinrichtung mit der daran haften
den Schutzschicht 6 der Atmosphäre ausgesetzt, taucht das
Problem auf, daß die strukturierte Verbindungsschicht 4a
korrodiert und dann unterbrochen wird.
Die Ursachen der Korrosion und Unterbrechung der strukturier
ten Verbindungsschicht 4a sind die folgenden: Die Schutz
schicht 6 enthält ein Halogen, z. B. Chlor, und wenn sie der
Atmosphäre ausgesetzt wird, reagiert die Schicht mit Wasser
molekülen der Atmosphäre, wobei Salzsäure entsteht. Diese
Salzsäure wirkt auf die strukturierte Verbindungsschicht
4a ein, so daß ein Reaktionsprodukt (d. h. ein Metallchlorid),
entsteht. Wenn dieses Reaktionsprodukt aus der Seitenwand
der strukturierten Verbindungsschicht 4a ausgeschieden wird,
wird die strukturierte Verbindungsschicht 4a teilweise korro
diert.
Um die Korrosion der Verbindungsschicht zu verhindern, wurden
- etwa in EP 02 47 603 oder EP 00 99 558 -
Herstellungsmethoden vorgeschlagen, in denen Cl durch F
ersetzt und/oder ein Plasmaprozeß unter Verwendung eines Plasmas
eines Fluorgases, wie z. B. CF4, CHF3 oder ähnlicher, ange
wandt wird, wie Fig. 5C zeigt. In EP 02 47 603 wird zur Entfernung
von aus einem früheren Ätzschritt auf dem Wafer verbliebenen Chlor
außerdem eine Erwärmung des Wafers vorgeschlagen
Der Plasmaprozeß unter Verwendung eines Gases, wie CF4
oder eines ähnlichen bewirkt, daß die Seitenwände des Stop
permetalls 3, wie etwa TiN, geätzt werden (was im folgenden
als Seitenätzen bezeichnet wird). Dies ist in Fig. 5C ge
zeigt. Damit wird es unmöglich, den Plasmaprozeß in hinrei
chender Zeit durchzuführen. Mit diesem Verfahren wird also
kein befriedigendes korrosionshinderndes Herstellungsverfah
ren von strukturierten Verbindungsschichten 4a bereitge
stellt. Das Problem der Unterbrechungen in strukturierten
Verbindungsschichten 4a und des Nachlassens der Zuverlässig
keit der Verbindungen bleibt folglich bestehen.
Aus Einspruch, N.G., Cohen, S.S., Gildenblat, G.Sh.
Hrsg.: "VLSI Electronics Microstructur Sience, Volume 15 VLSI Metallization"
Academic Press, Orlando usw. 1987, Seiten 161, 191, 192
und 205 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1
bekannt, bei dem speziell eine Aluminium-Verbindungsschicht
mittels eines herkömmlichen Trockenätzverfahrens unter Nutzung eines
chlorhaltigen Gases geätzt und die erzeugte strukturierte
Verbindungsschicht anschließend einer Nachätzbehandlung in einem
fluorhaltige Gase enthaltenden Plasma unterzogen wird. Dieses
Verfahren ist bezüglich der erforderlichen Gesamt-Verfahrensdauer
und damit Ausbeute noch verbesserungsbedürftig.
In verschiedenen Zusammenhängen ist die reaktionsfördernde Wirkung
kurzwelliger Strahlung, insbesondere von UV-Strahlen, bei Verfahrensschritten
der Halbleitertechnologie bekannt.
So wird in EP 03 16 835 das Ätzen eines Substrates in einem
reaktiven Gas beschrieben, das durch UV-Strahlen chemisch aktiviert
wurde.
In US 4 678 536 wird ein Verfahren zur photochemischen Behandlung
einer Materialoberfläche zur Verbesserung der Adsorption eines Reaktionsgases
an der Substratoberfläche beschrieben.
In EP 01 75 561 wird schließlich die gemeinsame Anwendung eines Ätzgases
und einer Licht- oder Röntgenbestrahlung zum Zwecke des
Trockenätzens beschrieben.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren
für strukturierte Verbindungsschichten bereitzustellen,
das beim reaktiven Ionenätzen von Verbindungsschichten
insbes. aus Aluminiumlegierungen mit Halogenionen enthaltendem
Reaktionsgas eine befriedigende Korrosionsverhinderung
bei hoher Ausbeute bewirkt.
Ein Verfahren zur korrisionshindernden Herstellung strukturierter Verbin
dungsschichten entsprechend der vorliegenden Erfindung
weist die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf.
Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Damit wird, wenn auf den Seitenwänden der strukturierten
Verbindungsschicht nach dem reaktiven Ionenätzen eine halogen
haltige Schutzschicht gebildet ist, das Halogen durch die
Energie der ultravioletten Strahlen angeregt. Damit wird
die Bindung zwischen der Schutzschicht und dem Halogen auf
gebrochen, und das Halogen wird aus der Schutzschicht ent
fernt. Der dem herkömmlichen Plasmaprozeß unter Nutzung eines
Gases, wie etwa CF4 anhaftende Nachteil daß das
Stoppermetall einer Seitenätzung unterliegt, haftet diesem
UV-Strahlen-Verfahren nicht an. Dies macht es möglich, das
Halogen, das zur Korrosion der strukturierten Verbindungs
schicht führt, in einer hinreichenden Zeit genügend zu ent
fernen, und bietet damit ein perfektes korrosionshinderndes
Herstellungsverfahren für strukturierte Verbindungsschichten.
Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand
der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1A-1C Schnittdarstellungen, die die Verfahrens
schritte einer Ausführungsform der vorlie
genden Erfindung zeigen;
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der Fotoreaktions
kammer, die in der vorliegenden Erfindung
eingesetzt wird;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer anderen Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4A und 4B Schnittdarstellungen, die den Schritt der
Bildung der strukturierten Verbindungsschicht
zeigen, der ein Schritt des Herstellungs
prozesses der Halbleitereinrichtung ist;
und
Fig. 5A-5C Schnittdarstellungen, die herkömmliche
Schritte der Bildung einer strukturierten
Verbindungsschicht und die Nachteile der
Schritte zeigen.
Fig. 2 zeigt die genaue Struktur einer Fotoreaktionskammer
zur Durchführung des in Fig. 1C gezeigten Verfahrensschrit
tes.
Zuerst wird die genaue Struktur der Fotoreaktionskammer unter
Bezugnahme auf Abb. 2 beschrieben, danach werden die
Verfahrensschritte der Fig. 1A bis 1C beschrieben. Eine
Fotoreaktionskammer 17 enthält eine Bearbeitungskammer 29
zum Ausführen der Oberflächenbehandlung eines Halbleitersub
strates 23 mit Licht im Hochvakuum. In der Bearbeitungskammer
29 ist ein Probenträger 24 zur Aufnahme des Halbleitersub
strates 23 vorgesehen. Die Bearbeitungskammer 29 besitzt
eine Gaszuführung 22 zur Zuführung des für die Oberflächen
behandlung mit Licht benötigten Gases. Die Bearbeitungskammer
29 besitzt weiter einen Evakuierungsstutzen 27 zur Eva
kuierung der Bearbeitungskammer 29 bis zum Hochvakuumzu
stand. Verbunden mit der Bearbeitungskammer 29 ist eine
Plasmaerzeugungskammer 28 zur Erzeugung eines Plasmas durch
Mikrowellenentladung oder ähnliches. Die Plasmaerzeugungs
kammer 28 besitzt eine Gaszuführung 28a zur Zuführung von
Gas in die Plasmaerzeugungskammer 28. Außerhalb der Bearbei
tungskammer 29 und der Probenhalterung 24 gegenüberliegend
ist eine UV-Lichtquelle 20 zur Emittierung tiefen UV-Lichts
angeordnet. Die Bearbeitungskammer 29 hat zum Eintritt der
UV-Strahlen, die von der UV-Lichtquelle 20 ausgesendet wer
den, ein Fenster 21. Unterhalb der Bearbeitungskammer 29
ist eine Infrarotlampe 25 angeordnet, die als Heizquelle
für die Probe dient. Die Bearbeitungskammer 29 hat ein Fen
ster 26 zum Eintritt der von der Infrarotlampe 25 emittierten
Strahlung in die Bearbeitungskammer 29.
Nunmehr wird eine Beschreibung des Verfahrens der Herstellung
einer strukturierten Verbindungsschicht auf einem Halbleiter
substrat unter Bezugnahme auf die Fig. 1A bis 1C und 2
gegeben.
Wie in Fig. 1A gezeigt, wird auf dem Halbleitersubstrat 1
eine untere Isolierschicht 2 gebildet. Dann wird auf der
unteren Isolierschicht 2 ein Stoppermetall 3, wie etwa TiN,
gebildet. Auf dem Stoppermetall 3 wird eine Metallverbin
dungsschicht 4 gebildet. Die Metallverbindungsschicht 4 wird
aus einem Metall, wie AlSi, AlSiCu, Cu, Mg oder ähnlichem
gebildet. Auf der Metallverbindungsschicht 4 wird eine
Resistmaske 5 gebildet.
Wie in Fig. 1B gezeigt, werden die Metallverbindungsschicht
4 und das Stoppermetall 3 einem reaktiven Ionenätzen unter
Verwendung eines Plasmas eines Halogengases, d. h. einem Gas
gemisch aus SiCl4/Cl2/BCl3, und der Resistmaske 5 ausgesetzt.
Dieses reaktive Ionenätzen bewirkt ein selektives Ätzen der
Metallverbindungsschicht 4 und des Stoppermetalls 3, was
zur Ausbildung einer strukturierten Verbindungsschicht 4a
führt. Während des reaktiven Ionenätzens wird auf den Seiten
wänden der Resistmaske 5, der strukturierten Verbindungs
schicht 4a und des strukturierten Stoppers 3a eine Schutz
schicht 6 gebildet, die ein Halogen (Cl) enthält.
Das Halbleitersubstrat 23 mit der darauf gebildeten struk
turierten Verbindungsschicht wird, wie Fig. 2 zeigt, auf
den Probenhalter 24 gebracht. Durch den Evakuierungsstutzen
27 wird Gas abgepumpt, um die Bearbeitungskammer 29 auf Hoch
vakuum von 1,3 · 10⁻⁴ Pa (1×10-6 Torr) zu halten. Die UV-Lichtquelle 20
wird eingeschaltet und strahlt tiefes UV-Licht in die Bear
beitungskammer 29 ein. Dies wird in Fig. 1C gezeigt. Wie
in Fig. 1C gezeigt, wird das in der Schutzschicht 6 enthal
tene Halogen (Cl) durch die Energie des tiefen UV-Lichtes
angeregt. Die Bindung zwischen der Schutzschicht 6 und dem
Halogen wird aufgebrochen, und dann wird das Halogen (Cl)
aus der Schutzschicht 6 freigesetzt. Bei diesem UV-Bestrah
lungsprozeß tritt der nachteilige Umstand des herkömmlichen
Plasmaverfahrens unter Benutzung von CF4-Gas, daß das Stop
permetall 3 seitlich geätzt wird, nicht auf. Das ermöglicht
es, das Halogen (Cl), das die Korrosion der strukturierten
Verbindungsschicht 4a bewirkt, in befriedigender Zeit hinrei
chend zu entfernen und eine vollständig korrosionshindernde
Bearbeitung der strukturierten Verbindungsschicht durchzu
führen. Diese Methode hat den Vorteil, die Ausbeute der
korrosionshindernden Bearbeitung der strukturierten Verbin
dungsschicht 4a zu erhöhen.
Obgleich der Fall beschrieben wurde, daß in der Bearbeitungs
kammer 29 ein Vakuum von 1,3 · 10⁻⁴ Pa besteht und dann
mit tiefem UV-Licht bestrahlt wird, ist die vorliegende Er
findung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Es kann
auch durch den Gaseinlaßstutzen 22 ein fluorhaltiges Gas
(z. B. CF4) in die Bearbeitungskammer 29 eingeleitet und dann
mit UV-Strahlen bestrahlt werden. In diesem Fall kann jedoch
die Bearbeitungskammer 29 im allgemeinen nicht auf einem
Vakuum von 1,3 · 10⁻⁴ Pa ( 1×10-4 Torr) gehalten werden. Durch die Verwen
dung des fluorhaltigen Gases kann die Bearbeitungszeit ver
ringert werden.
Darüber hinaus kann ein Plasma eines aktives Fluor enthalten
den Gases in der Plasmaerzeugungskammer 28 gebildet und dann
das Plasma in die Bearbeitungskammer 29 eingeleitet werden,
anstatt das fluorhaltige Gas durch den Gaszuführstutzen 22
einzuleiten.
Obgleich in der beschriebenen Ausführungsform die Nutzung
von tiefem UV-Licht als Beispiel für ultraviolette Strahlen
gezeigt wurde, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht
beschränkt. Es kann jedwedes Licht mit einer Wellenlänge
von 300 nm verwendet werden.
Die Intensität der ultravioletten Strahlung, zu der in der
obigen Beschreibung einer Ausführungsform keine besondere
Begrenzung angegeben wurde, ist vorzugsweise 50 mW/cm2 oder
mehr.
Das Halbleitersubstrat, zu dessen Temperatur während der
Bestrahlung mit ultraviolettem Licht in der vorangehenden
Beschreibung einer Ausführungsform keine besondere Begrenzung
angegeben wurde, wird vorzugsweise auf einer Temperatur von
30-50°C gehalten.
Obgleich die Beschreibung für den Fall gegeben wurde, daß
die ultravioletten Strahlen senkrecht auf die Oberfläche
des Halbleitersubstrates 23 gerichtet sind, wie in Fig. 2
gezeigt, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht be
schränkt. In Fig. 3 wird gezeigt, daß die ultravioletten
Strahlen vorzugsweise auf die Seitenwände der strukturierten
Verbindungsschicht gerichtet werden. Genauer gesagt, ist
das Halbleitersubstrat 23 auf dem Probenhalter 24 so angeord
net, daß die Oberfläche des Substrats nicht senkrecht zur
Richtung der einfallenden UV-Strahlen ist. Dann wird
das Halbleitersubstrat 23 gedreht. Auf diese Weise führt
die Ausrichtung der ultravioletten Strahlen auf die Seiten
wände der strukturierten Verbindungsschicht zu einer effek
tiven Ausnutzung der ultravioletten Strahlen und einer Redu
zierung der Bearbeitungszeit.
Wie oben dargelegt, wird beim Herstellungsverfahren für eine
strukturierte Verbindungsschicht gemäß der vorliegenden Er
findung die strukturierte Verbindungsschicht mit ultraviolet
ten Strahlen in einem Vakuum von 1,3 · 10⁻² Pa ( 1×10-4 Torr) bestrahlt.
Durch diesen UV-Bestrahlungsschritt wird, auch wenn die
halogenhaltige Schutzschicht auf den Seitenwänden der struk
turierten Verbindungsschicht nach reaktivem Ionenätzen ge
bildet wird, das Halogen durch die UV-Strahlenenergie ange
regt. Diese Anregung des Halogens führt zu einem Aufbrechen
der Bindung zwischen der Schutzschicht und dem Halogen und
zur Abtrennung des Halogens aus der Schutzschicht. In dieser
UV-Bearbeitung tritt der nachteilige Umstand der herkömmli
chen Methode unter Nutzung eines fluorhaltigen Gasplasmas,
daß das Stoppermetall seitlich geätzt wird, nicht auf. Dies
ermöglicht es, das Halogen, das die Korrosion der struktu
rierten Verbindungsschicht verursacht, in hinreichender Zeit
in einem ausreichenden Maße zu entfernen und eine vollstän
dige korrosionshindernde Bearbeitung der strukturierten Ver
bindungsschicht durchzuführen.
Obgleich die vorliegende Erfindung im einzelnen beschrieben
und dargestellt wurde, sollen die Abbildungen und Beispiele
nicht im Sinne einer Beschränkung gedeutet werden. Der Ge
danke und Blickwinkel der vorliegenden Erfindung ist nur
durch die Patentansprüche begrenzt.
Claims (8)
1. Verfahren zur korrosionshindernden Herstellung einer
strukturierten Verbindungsschicht mit den Schritten:
- a) Bilden einer Diffusionsverhinderungsschicht (3) aus TiN auf einem Halbleitersubstrat (1);
- b) Bilden einer Metallverbindungsschicht (4) aus Al, AlSi, AlSiCu auf der Diffusionsverhinderungsschicht (3);
- c) selektives Ätzen der Diffusionsverhinderungsschicht (3) und
der Verbindungsschicht (4) unter Nutzung eines chlorhaltigen
Gases zur Ausbildung einer strukturierten Verbindungsschicht (3a, 4a),
gekennzeichnet durch den Schritt: - d) Bestrahlen der strukturierten Verbindungsschicht (3a, 4a) mit ultravioletten Strahlen nach dem Schritt c).
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ultravioletten Strahlen auf eine Seitenwand der strukturierten
Verbindungsschicht (4a) gerichtet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bestrahlung mit ultravioletten Strahlen in einer
fluorhaltigen Gasatmosphäre durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die fluorhaltige Gasatmosphäre CF4
enthält.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bestrahlung mit ultravioletter Strahlung bei einem Druck
1,3 · 10⁻² Pa durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ultravioletten Strahlen Licht mit einer Wellenlänge von
300 nm enthalten.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Intensität der ultravioletten Strahlen 50 mW/cm2 ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß während der Bestrahlung mit ultravioletten Strahlen das
Halbleitersubstrat auf einer Temperatur von 30 bis 50°C
gehalten wird.
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