DE4040061C2 - Verfahren zur korrosionshindernden Herstellung einer strukturierten Verbindungsschicht - Google Patents

Verfahren zur korrosionshindernden Herstellung einer strukturierten Verbindungsschicht

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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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