-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Planarisierungsprozeß, der während der Herstellung integrierter
Schaltkreise verwendet wird; und insbesondere auf einen verbesserten
Glasaufschleuderprozeß,
bei dem die Umgebung während
des Schrittes des Einsprühens/Einfließens und
anderer Schritte des Prozesses kontrolliert wird.
-
Beschreibung
des verwandten Standes der Technik
-
Aufschleuderglas (spin-on-glass,
SOG) wird bei der Herstellung integrierter Schaltkreise weit verbreitet
verwendet, um die Oberflächenplanarität von Wafern
zu verbessern. Ein hoher Grad an Planarität auf der Waferoberfläche wird
für eine
feine photolithographische Auflösung
benötigt.
Auch wird eine Planarität
benötigt,
um Metallstege zu verhindern, die nach dem Ätzen der Metalleitungen in
Vertiefungen auf der Oberfläche
des Wafers zurückbleiben
können und
die Kurzschlüsse
in der Vorrichtung verursachen können.
Viele Artikel wurden publiziert, z.B. in den jährlichen VLSI Multilevel Interconnection
Conferences, wie z.B. Ting et al., "Planarization Process Using Spin-On-Glass", Proceedings Fourth
International IEEE VLSI Multilevel Interconnection Conference, 15.–16. Juni
1987, S. 61–67.
Auch kann man Hintergrundinformation, die SOG-Beschichtungsprinzipien
betreffend, in Yonkoski et al., "A
Mathematical Model for Planarization of Microelectronic Topographies", Journal of the
Electrochemical Society, Band 141, Nr. 2, Februar 1994, S. 585–593; und
Sukanek, "A Model
for Spin Coating with Topography", Journal
of the Electrochemical Society, Band 136, Nr. 10, Oktober 1989,
S. 3019–3026
finden.
-
Viele Faktoren beeinflussen die Ergebnisse eines
SOG-Beschichtungsprofils. Eigenschaften der verwendeten Materialien,
einschließlich
der Oberflächenspannung,
Viskosität,
Lösungsmittelverdampfungsrate
und Schrumpfung aufgrund der Aushärtung bei hoher Temperatur
sind Schlüsselfaktoren
bei der Fähigkeit
des SOG-Prozesses, Lücken
zu füllen und
eine Planare Oberfläche
zu bilden. Jedoch sind die Schleudergeschwindigkeit, die SOG-Absetzzeit, die
Beschleunigung, die Art der Abgabe des SOG und die Umgebung während des
Beschichtungsprozesses wichtige Faktoren beim Bilden einer Qualitätsbeschichtung
auf der Vorrichtung. Es gibt viele wechselwirkende Faktoren, die
bei dem SOG-Beschichtungsprozeß involviert
sind, einschließlich Oberflächenspannung,
SOG-Festkörperviskosität, Zentrifugalkraft
und Gravitationskräften,
die das SOG erfährt.
-
Ein konventioneller SOG-Beschichtungsprozeß besteht
typischerweise aus den folgenden Schritten:
- 1)
Abgeben des SOG bei einer niedrigen Waferschleudergeschwindigkeit
(z. B. 0–200
rpm).
- 2) Verteilen des SOG bei einer mittleren Schleudergeschwindigkeit,
um eine gleichmäßige Waferbedeckung
zu erhalten (z. B. 500–1000
rpm).
- 3) Einfließen
(Planarisieren) des SOG bei einer niedrigen Geschwindigkeit (z.
B. 500-1000 rpm).
- 4) Abschleudern der überflüssigen oberen
Schicht des SOG bei einer hohen Geschwindigkeit (z. B. 2000–3000 rpm).
- 5) Transferieren des Wafers von dem Beschichten auf eine Heizplatte.
- 6) Backen/Trocknen des SOG bei höheren Temperaturen.
-
Es gibt verschiedene Einschränkungen
des konventionellen SOG-Beschichtungsprozesses. Erstens gibt es
eine untere Grenze wie langsam der Wafer während des Verteilungsschritts
geschleudert werden darf und eine maximale Zeitspanne, während der
der Einfließschritt
erfolgen darf, um schnelle Viskositätsveränderungen aufgrund eines Verlusts
an Lösungsmittel
zu vermeiden. Darüber
hinaus muß die
Abschleuderrotationsgeschwindigkeit während des vierten Schrittes
hoch genug sein, um die Dicke des überschüssigen SOG oben auf breiten
Metallstrukturen zu minimieren. Jedoch kann die Abschleuderrotationsgeschwindigkeit
nicht zu hoch sein, so daß unausgehärtetes SOG
aus aufgefüllten
Spalten in der darunterliegenden Struktur entweicht und einen Hohlraum
hinterläßt.
-
Weiterer Hintergrund den SOG-Beschichtungsprozeß betreffend
wird in dem US-Patent Nr. 4,721,548 von Morimoto (SOG mit Zurückätzen zur Halbleiterplanarisierung);
US-Patent Nr. 4,775,550 von Chu et al. (SOG mit Zurückätzen für intermetallische
Dielektrika); US-Patent Nr. 4,885,262 von Ting et al. (Chemisch
modifiziertes SOG); US-Patent Nr. 5,003,062 von Yen (Planarisierungsprozeß); US-Patent
Nr. 5,106,787 von Yen (Hochvakuumaushärtung für SOG-Planarisierung) gezeigt.
-
Die
US
5,013,586 bezieht sich auf eine Technik für die gleichmäßig ebene
Auftragung einer Kunstharzbeschichtung auf einem Substrat. Das Substrat
wird auf einer Drehplatte befestigt, so daß eine Rotation die Ausbreitung
einer dünnen
Beschichtung des Kunstharzes über
das Substrat bewirkt. Über
der Platte wird eine Abdeckung bereitgestellt, um ein als Gas suspendiertes
Lösungsmittel einzuschließen.
-
Die
US
4,714,926 bezieht sich auf ein Aufschleuderbeschichten
eines Substrats mit einem Kunstharzmaterial in einem Zweifachaufschleuderzyklus.
Das Substrat wird geschleudert, beschichtet und weiterhin geschleudert,
bis das Kunstharz trocken ist.
-
Dementsprechend ist es wünschenswert,
einen Glasaufschleuderprozeß bereitzustellen,
der zu einem besseren Auffüllen
der Hohlräume,
einer besseren Planarität
und dünneren
Strukturen über
breiten metallischen Merkmalen der Vorrichtung führt.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Aufbringen fließfähiger Dielektrika
während
der Herstellung eines integrierten Schaltkreises, das die Schritte
aufweist: A) Haltern des integrierten Schaltkreises in einer Kammer;
B) Abgeben des fließfähigen Dielektrikums
in einem Lösungsmittel
auf den integrierten Schaltkreis in der Kam mer; C) Abdecken des
integrierten Schaltkreises, um eine köntröllierte Umgebung innerhalb
der Kammer nach dem Schritt des Abgebens zu liefern; D) Schleudern
des integrierten Schaltkreises, während die kontrollierbare Umgebung
kontrolliert wird, um das fließfähige Dielektrikum
zu verteilen und einfließen
zu lassen; E) Entfernen der Abdeckung des integrierten Schaltkreises
innerhalb der Kammer; F) Schleudern des integrierten Schaltkreises,
um überschüssiges fließfähiges Dielektrikum
abzuschleudern; und G) Aushärten des
fließfähigen Dielektrikums.
-
Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung liefern einen verbesserten Prozeß zum Verteilen und Einfließenlassen
eines fließfähigen Materials auf
einem unregelmäßigen Substrat,
wie z. B. eines fließfähigen Dielektrikums
auf einen integrierten Schaltkreis während der Herstellung, was
zu einer größeren Planarität und besseren
Spaltfüllungsfähigkeit
führt.
Der Prozeß umfaßt ein Schleudern
des unregelmäßigen Substrats,
während
eine Verdampfung des Lösungsmittels
von dem fließfähigen Material gesteuert
wird, um die Spanne der Einfließzeit
zu vergrößern und
die Schleudergeschwindigkeit während des
Einfließens
zu verringern, um die Planarität
und die Spaltfüllungsfähigkeit
zu verbessern.
-
Daher können Ausführungsformen der Erfindung
als ein Prozeß zur
Aufbringung eines fließfähigen Dielektrikums,
wie z.B. Aufschleuderglas, während
der Herstellung eines integrierten Schaltkreises charakterisiert
werden. Der Prozeß umfaßt
Haltern
des integrierten Schaltkreises in einer Kammer,
Abgeben eines
Lösungsmittels,
das ein fließfähiges Dielektrikum
enthält,
auf dem integrierten Schaltkreis in der Kammer,
Bedecken des
integrierten Schaltkreises, um eine kontrollierbare Umgebung um
den integrierten Schaltkreis nach dem Schritt des Abgebens bereitzustellen;
Schleudern
des integrierten Schaltkreises, während die steuerbare Umgebung
gesteuert wird, um das fließfähige Dielektrikum
zu verteilen und einfließen zu
lassen;
Entfernen der Abdeckung des integrierten Schaltkreises
innerhalb der Kammer;
Schleudern des integrierten Schaltkreises,
um das fließfähige Dielektrikum
abzuschleudern, und
Aushärten
des fließfähigen Dielektrikums.
-
Die Umgebung, die den integrierten
Schaltkreis umgibt, wird kontrolliert, um das Verdampfen des Lösungsmittels
zu verlangsamen, entweder passiv durch bloßes Einschließen des
integrierten Schaltkreises während
des Verteilungs- und Einfließprozesses
innerhalb eines begrenzten Raumes, oder aktiv, wie z.B. durch Kontrollieren
des Dampfdrucks des ausgewählten
Materials, Steuern der Temperatur des integrierten Schaltkreises
oder Steuern anderer Parameter der Umgebung.
-
Das Verfahren entsprechend den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung erlaubt es, daß der Schritt des Schleuderns
des integrierten Schaltkreises zum Zwecke des Verteilens und des Auffließenlassens
bei einer niedrigeren Geschwindigkeit, wie z. B. weniger als 500
rpm, erreicht werden kann. Auch erlaubt der Prozeß eine längere Verbreitungs-
und Einfließzeit,
wie z. B. größer als
2 Sekunden und bis zu 30 Sekunden oder mehr. Darüber hinaus kann eine höhere Geschwindigkeit
für ein
Abschleudern des Aufschleuderglases aufgrund des besseren Verteilungs-
und Auffließpro zesses
verwendet werden, wie z. B. größer als
3000 rpm, was in einem dünneren
Dielektrikum über
den breiten Metallbereichen auf der Vorrichtung resultiert.
-
Aufgrund der Fähigkeit, die Waferumgebung mit
der beweglichen Kappe bzw. Abdeckung entsprechend den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zu kontrollieren, kann sogar eine weitere technische
Verbesserung des SOG-Prozesses erreicht werden. Zum Beispiel kann
nach dem Verteilungs- und Auffließschritt die Kappe geöffnet und
der integrierte Schaltkreis der Umgebung ausgesetzt werden, um zu
erlauben, daß das
Lösungsmittel
verdampft, so daß der
größte Teil
des Lösungsmittels entfernt
wird. Während
des Freilegens in der Umgebung kann der integrierte Schaltkreis
auch einem Back- oder Trocknungsprozeß ausgesetzt werden, um dabei
zu helfen, das Lösungsmittel
aus der abgeschiedenen Schicht zu entfernen. Nach diesem Schritt
kann die obere Schicht des SOG modifiziert werden, so daß eine dünne Schicht
davon fließfähig gemacht
wird. Dann wird erneut ein Auffließprozeß ausgeführt. Diese Schritte können iteriert
werden, um eine endgültige
Planarität
auf der Vorrichtung zu erreichen. Zuletzt wird die überschüssige obere Schicht
bei einer hohen Geschwindigkeit abgeschleudert und das SOG wird
durch Backen und Trocknen wie zuvor ausgehärtet.
-
Die obere Lage des SOG kann entsprechend dem
oben beschriebenen Prozeß modifiziert
werden, entweder durch Zuführen
von gesättigten
Dampflösungsmitteln
in die Umgebung bei geschlossener Kappe oder durch Abgeben eines
flüssigen
Lösungsmittels
direkt auf die Waferoberfläche.
Der Lösungsmittelinhalt
der modifizierten oberen Schicht wird höher sein als der Lösungsmittelgehalt
von tieferen Schichten des SOG. Dies erlaubt eine sehr hohe Aufschleudergeschwindigkeit,
so daß die
tieferen Schichten mit niedrigerem Lösungsmittelgehalt nicht entfernt
werden, während
die oberen Schichten eine sehr hohe Planarität erreichen.
-
Daher wird ein neues Beschichtungsschema bereitgestellt,
in dem man die Waferumgebung während
des Verteilungs- und Auffließschrittes
oder eines anderen Schrittes, in dem die SOG-Charakteristika kontrolliert werden
können,
kontrolliert. Durch Kontrollieren der intrinsischen Umgebungsparameter kann
das Oberflächenprofil
des Aufschleuderglases wie benötigt
technisch beeinflußt
werden.
-
Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden
Erfindung sind aus der Beschreibung der Figuren und der detaillierten
Beschreibung in den folgenden Ansprüchen ersichtlich.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER
FIGUREN
-
1 ist
eine schematische Darstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur,
auf die ein fließfähiges Dielektrikum
aufgebracht werden kann.
-
2 ist
einen Darstellung der Struktur aus 1 mit
dem fließfähigen Dielektrikum
darauf.
-
3 ist
ein konzeptionelles Diagramm der Aufschleuderglasbeschichtungskammer,
die eine Abdeckung gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt.
-
4 stellt
die Beschichtungskammer aus 3 dar,
wobei die Abdeckung über
dem integrierten Schaltkreis geschlossen ist und eine kontrollierbare
Umgebung bereitstellt.
-
5 ist
ein schematisches Diagramm des fließfähigen Dielektrikums gemäß der vorliegenden Erfindung,
das verwendet wird, um bestimmte Eigenschaften der Erfindung darzustellen.
-
6 ist
ein Graph, der mit dem Glasaufschleuderprozeß verbunden ist, aus Yunkoski
et al., wie oben zitiert.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die detaillierte Beschreibung der
vorliegenden Erfindung wird geliefert unter Bezug auf die 1–5,
in denen die 1 und 2 ein Beispiel eines fließfähigen Dielektrikums
gemäß der vorliegenden Erfindung
tiefem, die 3 und 4 konzeptionell die verwendete
Ausrüstung
zum Abscheiden der Aufschleuderglasschicht darstellen und 5 Parameter der resultierenden
Struktur zeigt.
-
In 1 ist
ein Querschnittsdiagramm einer integrierten Schaltkreisstruktur
gezeigt, in der die Linie 10 die Oberfläche des Substrats eines integrierten
Schaltkreises repräsentiert,
der z. B. EPROM-Zellen umfaßt.
Eine EPROM-Zelle wird darauf gebildet, wobei sie vergrabene Diffusionsbereiche 11 und 12 vom
n-Typ aufweist, die die Source und die Drain der Speicherzelle bilden.
Ein dünner Isolator 13 wird über der
Kanalregion der EPROM-Vorrichtung gebildet. Ein erdfreies Gate 14 wird über dem
dünnen
Isolator 13 gebildet. Ein Dielektrikum 15 wird über dem
erdfreien Gate gebildet und ein Steuergate oder eine Wortleitung
aus einer Polysiliciumschicht 16 wird über dem Dielektrikum 15 gebildet.
Ein dielektrischer Seitenwandabstandshalter 17 wird auf
der Seite des aus dem dünnen
Isolator 13, dem erdfreien Gate 14, dem Dielektrikum 15 und der
ein Steuergate oder eine Wortleitung bildenden Polysiliciumschicht 16 geformten
Stapels gebildet. Eine isolierende Schicht 18 wird über dem
Stapel gebildet, um die ein Steuergate oder eine Wortleitung bildende
Polysiliciumschicht 16 von den folgenden metallischen Schichten
zu isolieren. Diese isolierende Schicht erstreckt sich auch in die
Bereiche 19 und 20, um das Halbleitersubstrat
zu bedecken. Ein Metallkontakt 21 wird in einer Öffnung,
die sich durch die isolierende Schicht 18 hinunter bis
zu dem vergrabenen Diffusionsbereich 11 erstreckt, gebildet.
Auch werden aus verschiedenen Gründen
metallische Leitungen 22 auf der Oberfläche der Vorrichtung nach einem
Muster ausgebildet. Die Vorrichtung kann Abstände "X" zwischen
metallischen Leitungen in der Größenordnung
von 6/10 eines Mikrometers aufweisen. Auf dem integrierten Schaltkreis über dem
Bereich 19 ist auch eine metallische Kontaktfläche 23 angeordnet.
-
Eine dielektrische Barriere 24 mit
hoher Qualität
wird über
den darunterliegenden metallischen Strukturen (21, 22, 23)
gebildet. Die dielektrische Barriere 24 wird aus Siliciumoxynitrit
SiON oder Siliciumnitrit gebildet, wobei ein plasmaverstärkter CVD-Prozeß verwendet
wird.
-
Das Ergebnis dieses Prozesses ist
eine Barriere mit hoher Qualität,
die Feuchtigkeit und mobile Ionen vom Erreichen der darunterliegenden
Metall- oder anderen Halbleiterstrukturen abblockt.
-
Nach dem Wachsen der dielektrischen
Barriere 24 mit hoher Qualität kann die Öffnung über dem Metallkontakt 21 z.
B. nur 0,1 μm
schmal und 1,2 μm oder
mehr tief sein.
-
2 stellt
das Ergebnis des SOG-Prozesses der vorliegenden Erfindung als ein
nächster Schritt
beim Definieren einer Passivierungsschicht dar. Entsprechend dem
nächsten
Schritt wird eine fließfähige dielektrische
Schicht 25 abgeschieden. Diese dielektrische Schicht wird
aufgebracht unter Verwendung einer Schleuderbeschichtung eines fließfähigen Glases,
um die Spalten zwischen den Metalleitungen zu füllen und die Waferoberfläche zu glätten. Das
fließfähige Glas
wird dann bei ungefähr 420°C ausgehärtet, um
das Glas zu verfestigen. Es werden folgende Eigenschaften des Aufschleuderglases
SOG nach einem Ausheilen angestrebt:
Dicke (Ångström): 2000
bis 5500
Brechungsindex: 1,3–1,4
Spaltenfüllung: vollständige Füllung von
0,1 μm breiten
und >1,2 μm tiefen
Spalten
Planarität: >90% bei großen metallischen
Abständen (metallische
Abstände >40 μm)
SOG-Dicke auf einer
großen
metallischen Fläche (Ångström): <1000
Spannung:
2 × 10–1 – 7 × 10–1 Nm2 (2 × 108 – 7 × 108 Dyne/cm2) Zugbelastung.
-
Daher füllt das fließfähige Dielektrikum
die Spalten zwischen den metallischen Leitungen und den Eindrückungen
innerhalb der Kontaktlöcher
und planarisiert im allgemeinen die darunter liegende Topographie.
-
Die Aufschleuderglasschicht wird
nicht zurückgeätzt. Darüber hinaus
wird sie aufgetragen, wobei ein Prozeß verwendet wird, der die Dicke
des Aufschleuderdielektrikums in dem Bereich 26 im allgemeinen über der
metallischen Kontaktfläche 23 minimiert.
-
Der Aufschleuderglasbeschichtungsprozeß besteht
aus einem Abgabeschritt, einem Verteilschritt und einem trockenen
Absetzschritt. In dem Abgabeschritt wird eine kontrollierte Menge
von Fließglas
unter optimierter Bewegung des Abgabearms und bei obtimierten Waferrotationsgeschwindigkeiten
abgegeben. Eine bewegliche Haube, die ein abgeschlossenes Fach um
den Wafer bildet, wird dann verwendet, um die Umgebung über dem
Wafer während
des Schleuderverteilungsschrittes zu kontrollieren. Während des
Verteilungsschrittes können
der Druck, die Temperatur und die umgebende Gaszusammensetzung innerhalb
des abgeschlossenen Faches kontrolliert werden. Typischerweise wird
innerhalb des abgeschlossenen Faches eine gesättigte Dampfumgebung gehalten,
um das Glas während
des Verteilens in einem hochgradig fließfähigen Zustand zu halten. Die
Zentrifugalkraft aufgrund der Waferrotation hilft bei der globalen
Glättung
des Fließglases.
Eine Rotation mit hoher Geschwindigkeit wird zum Ende des Verteilungsschritts
benötigt,
um das überschüssige Fließglas abzuschleudern
und die Fließglasdicke
auf großen
metallischen Flächen
zu reduzieren. Bei dem letzten trockenen Absetzschritt wird die
Umgebung entlüftet,
um das Fließglas
zu trocknen und abzusetzen.
-
Das Basisrezept für den SOG-Beschichtungsprozeß ist wie
folgt:
- 1. Abgabe des SOG: Zeit (sec): 0–2
Schleudergeschwindigkeit
(rpm): 0–200
Beschleunigung
(rpm/s): 500–2000
Entlüftung (Ipm):
0–200
Haube:
offen
- 2. Schließen
der Haube: Zeit (sec): 0–5
Schleudergeschwindigkeit
(rpm): 0
Beschleunigung (rpm/s): 2000–3000
Entlüftung (Ipm):
0–200
Haube:
schließend
- 3. Verteilen/Auffließen:
Zeit (sec): 0–30
Schleudergeschwindigkeit
(rpm): 0–500
Beschleunigung
(rpm/s): 1000–3000
Entlüftung (Ipm):
0–200
Haube:
geschlossen
- 4. Öffnen
der Haube: Zeit (sec): 0–5
Schleudergeschwindigkeit
(rpm): 0
Beschleunigung (rpm/s): 2000–3000
Entlüftung (Ipm):
0–400
Haube: öffnend
- 5. Abschleudern: Zeit (sec): 0–20
Schleudergeschwindigkeit
(rpm): 3000–5000
Beschleunigung
(rpm/s): 5000–10000
Entlüftung (Ipm):
0–400
Haube:
offen
-
Daher umfaßt der erste Schritt ein Abgeben des
SOG-Materials, wie z. B. kommerziell erhältlicher siloxanpolymerbasierter
Materialien, wie die Allied-Signal Produktnummern 512, 214 und 314.
Dieser Schritt nimmt weniger als ungefähr 2 Sekunden in Anspruch mit
einer Schleuderendgeschwindigkeit von weniger als 200 Umdrehungen
pro Minute. Die Schleuderendgeschwindigkeit wird schnell erreicht mit
einer Beschleunigungsrate von ungefähr 500–2000 rpm/s. Die Entlüftung in
der SOG-Kammer ist auf weniger als ungefähr 200 Litern pro Minute (Ipm)
mit der offenen Haube eingestellt.
-
Nach dem Abgabeschritt wird die Haube
geschlossen. Dieser Prozeß nimmt
bis zu 5 Sekunden ein. Die Schleudergeschwindigkeit ist mit einer schnellen
Abbremsung von 2000–3000
rpm pro Sekunde auf 0 rpm eingestellt. Die Be- bzw. Entlüftung ist
während
des Schrittes des Schließens
der Haube auf bis zu ungefähr
200 Ipm eingestellt.
-
Nächdem
die Haube geschlössen
ist, wird das SOG-Material verteilt und fließt ein: Dieser Prozeß nimmt
bis zu 30 Sekunden in Anspruch, vorzugsweise mehr als ungefähr 20 Sekunden
mit einer relativ niedrigen Schleudergeschwindigkeit von bis zu 500
rpm, vorzugsweise weniger als ungefähr 250 rpm. Die Schleudergeschwindigkeit
wird mit einer Beschleunigungsrate von ungefähr 1000–3000 rpm pro Sekunde eingestellt,
mit der Entlüftung
in der Außenkammer
bei einem Wert von bis zu 200 Ipm. Während dieses Prozesses ist
die Haube geschlossen, wobei sie den Raum innerhalb der geschlossenen
Kappe von der externen Entlüftung
isoliert, so daß die
Verdampfungsrate des SOG-Lösungsmittels
verlangsamt wird.
-
In dem nächsten Schritt wird die Haube
geöffnet.
Dieser Schritt nimmt ungefähr
bis zu 5 Sekunden mit einer Schleudergeschwindigkeit von 0 rpm in Anspruch.
Das Schleudern wird gestoppt mit einer Verzögerung in einem Bereich von
2000 bis 3000 rpm pro Sekunde. Die Entlüftung ist auf einen Wert von
bis zu 400 Ipm eingestellt, während
die Haube geöffnet
wird.
-
Der letzte Schritt ist der Abschleuderschritt, der
bis zu ungefähr
20 Sekunden in Anspruch nimmt. Während
der Abschleuderns rotiert der Wafer bei einem Wert zwischen 3000
und 5000 rpm. Die Schleuderendgeschwindigkeit wird mit einer schnellen
Beschleunigung in dem Bereich von 5000 bis 10000 rpm pro Sekunde
erreicht. Entlüftung
in der Kammer beträgt
bis zu ungefähr
400 Ipm mit der geöffneten Haube.
-
Dieser Prozeß erlaubt eine viel längere Verteilungs-/Einfließzeit und
eine viel niedrigere Verteilungs-/Einfließrotationsgeschwindigkeit verglichen mit
Systemen aus dem Stand der Technik und erreicht eine überlegene
Planarität
und erzielt eine dünne
SOG-Schicht über
den metallischen Kontaktflächen
ohne einen Zurückätzschritt.
-
Die Ausrüstung, die verwendet wird,
um die vorgenannten Prozeßschritte
durchzuführen,
ist konzeptionell in den
3 und
4 dargestellt. Mechanisch kann
diese Ausrüstung
implementiert werden, wie z. B. in der deutschen Patentanmeldung
Nr.
DE 42 03 913 , angemeldet
am 11. Februar 1992, erfunden von Gabriel et al., außer daß sie für die kleineren
Dimensionen eines Halbleiterwafers angepaßt werden muß.
-
Wie in 3 gezeigt,
umfaßt
die Aufschleuderglasausrüstung
eine Aufschleuderglasbeschichtungskammer, allgemein 500, die einen
Halter 51 für einen
integrierten Schaltkreis 52 umfaßt. Der Halter 51 ist
auf einem Schaft 53 montiert, der mit einem Motor 54 zum
Schleudern des Halters 51 verbunden ist. Die Kammer 50 wird
durch einen Auslaß 55 mit
einem Entlüftungssystem
verbunden. Ein Einlaß 56 kann
verwendet werden für
Zwecke, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.
-
Mit der Kammer 50 ist auch
ein Motor 57 verbunden, der mit einem verlängerbaren
Schaft 58 verbunden ist, der eine Abdeckstruktur 59 hält. Der
Motor 57 und der Motor 54 werden synchron betrieben, so
daß die
Abdeckung 59 und der Halter 51 mit der gleichen
Rate geschleudert werden können.
Die Peripherie, allgemein mit 60 bezeichnet, der Abdeckung kann
eine elastische Auskragung aufweisen, die auf dem nach oben zeigenden
Bereich des Halters 51 oder dem Wafer des integrierten
Schaltkreises 52 aufliegt, so wie es die Bedürfnisse
der betreffenden Anwendung erfüllt.
-
Auch ist ein Mechänismus 61 zum Abgeben von
lösungsmittelhaltigem
Aufschleuderglasmaterial 62 auf den integrierten Schaltkreis 52 vorgesehen.
-
4 stellt
die Kammer aus 3 mit
der auf den integrierten Schaltkreis 52 abgesenkten Abdeckung 59 dar.
Der Schaft 58, der die Abdeckung 59 mit dem Motor 57 verbindet,
ist verlängert,
so daß die Abdeckung
den integrierten Schaltkreis einschließt und eine kontrollierbare
Umgebung, allgemein mit 63 bezeichnet, über dem integrierten Schaltkreis 52 bildet.
-
4 stellt
schematisch dar, daß eine
Quelle von Umgebungskontrollgasen, allgemein mit 70 bezeichnet,
mit dem Schaft 53 verbunden sein kann und in die kontrollierbare
Umgebung 63 durch den Schaft 53 abgeben kann,
wobei Techniken verwendet werden, die aus dem Stand der Technik
bekannt sind. Ähnlich
kann die Temperatur des integrierten Schaltkreises 52 durch
ein Temperatursteuerungssystem, allgemein mit 71 bezeichnet,
gesteuert werden, das die Temperatur des Halterelements 51 während des
Schleuderprozesses steuert. Daher kann die kontrollierbare Umgebung 63 passiv
gesteuert werden durch einfaches Einschließen des integrierten Schaltkreises
während
des Verteilungs- und Auffließschleuderprozesses.
Dies kontrolliert die Verdampfungsrate des Lösungsmittels, das verwendet wird,
um das Aufschleuderglas während
dieser Schritte zu tragen. Alternativ kann ein aktives Steuersystem
angewandt werden, in dem die Umgebungssteuergase 70 in
den Bereich 63 eingespritzt werden, um den Dampfdruck von
ausgewählten
Materialien in der Umgebung 63 zu kontrollieren. Auch kann
die Temperatur des integrierten Schaltkreises 52 während dieser
Prozesse gesteuert werden, wobei Temperatursteuersysteme 71 verwendet
werden. Eine Kombination von Umgebungssteuerungen kann angewandt
werden, um die Aufschleuderglasmaterialcharakteristika entsprechend
der Bedürfnisse
der bestimmten Konstruktion technisch anzupassen.
-
5 zeigt
eine Struktur, die das Aufschleuderglasmaterial der vorliegenden
Erfindung aufweist, um bestimmte Charakteristika des Prozesses darzustellen.
In 5 ist die Oberfläche des
integrierten Schaltkreissubstrats als Linie 100 gezeigt.
Auf der Oberfläche
wird eine metallische Struktur 101 abgeschieden. Ein CVD-Dielektrikum 102 wird über der metallischen
Struktur 101 abgeschieden. Ein Aufschleuderglasmaterial 103 wird über dem
CVD-Dielektrikum 102 abgeschieden.
-
Die Dimensionen der Struktur in 5 sind u. a. folgende:
h:
SOG-Dicke in einer weit geöffneten
Furche.
a: anfängliche
Schritthöhe
der integrierten Schaltkreisstruktur vor der SOG-Beschichtung.
dh: eine maximale
Höhendifferenz
der SOG-Beschichtung auf dem integrierten Schaltkreis.
L: die
Breite der Furche vor dem Abscheiden des SOG.
t: maximale Dicke
des SOG auf dem Metall.
-
Wenn man die Definition des Grades
des Planarität
(DOP) wie in der Yonkoski et al.- Referenz beschrieben, die oben
zitiert wird, übernimmt,
ist der Grad an Planarität
definiert durch die folgende Gleichung: DOP =
(1 – dh/a) × 100%
-
Der DOP hängt von dem Längenverhältnis der
zugrunde liegenden Spalten- oder Furcheneigenschaft, das als a/L
definiert wird und von der Stärke der
Zentrifugal- und Oberflächenspannungskräfte ab, die
während
des SOG-Prozesses auftreten. Daher kann der DOP als eine Funktion
des Längenverhältnisses
und eines Parameters B aufgetragen werden, wie in 6 dargestellt, wobei der Parameter B
als die Zentrifugalkraft geteilt durch die Oberflächenspannung
definiert ist. Im Prinzip verbessert bei kleinem B die niedrigere
Schleudergeschwindigkeit (eine kleinere Zentrifugalkraft) und die
höhere
Oberflächenspannung
des SOG den DOP. Es wird angenommen, daß der Viskositätsterm in
einem nicht-flüchtigen
Fluidmodell, wie z. B. in der Yonkoski et al.-Referenz dargestellt,
konstant und vernachlässigbar
ist. In Wirklichkeit sind sowohl die Viskosität als auch die Oberflächenspannung
aufgrund der Verdampfung des Lösungsmittels
in dem SOG während des
Schleuderbeschichtungsprozesses aus dem Stand der Technik sich kontinuierlich
verändernde
Eigenschaften. In einigen extremen Fällen verfestigt sich das SOG
so schnell, daß es
nicht zu der Kante des Wafers fließt. Diese Parameter werden
entsprechend der vorliegenden Erfindung effektiv kontrolliert, um
einen hohen DOP und ein hohlraumfreies Auffüllen von Spalten sogar mit
einem Längenverhältnis in dem
Bereich von 12 oder höher
für Furchen
mit einer Breite L in der Größenordnung
von 0,1 um zu erreichen.
-
Eine weitere technische Anpassung
des SOG kann bereitgestellt werden, wobei die bewegliche Haube verwendet
wird, die eine selektive Kontrolle der Umgebung über dem integrierten Schaltkreis
während
ausgewählten
Schleuderschritten des Prozesses erlaubt. Daher kann ein Prozeß wie folgt ausgeführt werden:
- 1) Abgeben des SOG,
- 2) Einschließen
des Wafers in einer kontrollierte Umgebung, in der der SOG-Lösungsmittelverlust minimiert
ist,
- 3) Verteilen des SOG,
- 4) Einfließen
des SOG,
- 5) Entlüften
der Umgebung, Backen/Trocknen des SOG, so daß das Lösungsmittel fast verschwunden
ist,
- 6) Modifizieren der oberen Schicht des SOG, so daß eine dünne Schicht
von SOG fließfähig gemacht
wird,
- 7) Einfließen
des modifizierten SOG,
- 8) die Schritte 5–7
können
iteriert werden, um eine endgültige
Planarität
zu erreichen,
- 9) Abschleudern der überschüssigen oberen Schicht
des SOG bei einer hohen Geschwindigkeit,
- 10) Backen/Tfrocknen des SOG zum abschließenden Aushärten.
-
Die obere Schicht des SOG kann durch
Einfügen
gesättigter
Dampflösungsmittel
in die Umgebung der geschlossenen Haube oder Abgeben eines flüssigen Lösungsmittels
direkt auf die Waferoberfläche
vor dem Schließen
der Haube für
den Auffließschritt 7 modifiziert
werden. Dies erzeugt ein graduelles Lösungsmittelinhaltsprofil über die
Dicke des SOG, so daß die
Oberfläche
des SOG einen höheren Lösungsmittelgehalt
hat als die tieferen Schichten. Dies erlaubt eine sehr hohe Abschleudergeschwindigkeit,
während
ein Entfernen des SOG aus tiefen Strukturen des Substrats verhindert
wird. Daher kann ein feines Formen des Oberflächenprofils des SOG erreicht
werden.
-
Die Beschichtungstechnik der vorliegenden Erfindung
resultiert in besserer Planarität
und Spaltenfüllung
als Systeme aus dem Stand der Technik. Die Beschichtungstechnik
kann angewandt werden auf andere Bereiche als fließfähige Dielektrika
in integrierten Schaltkreisen. Insbesondere sind die Prinzipien
auf jeden Prozeß anwendbar,
der Beschichtungen eines flüchtigen
fließfähigen Materials
beinhaltet und in dem die Prozeßergebnisse
verbessert werden können
durch Kontrollieren der Umgebungsbedingungen.
-
Die vorstehende Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wurde präsentiert
zum Zwecke der Darstellung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein
oder die Erfindung auf die präzisen
offenbarten Formen beschränken.
Offensichtlich liegen viele Modifikationen und Variationen für Fachleute
auf der Hand. Der Schutzbereich der Erfindung soll durch die folgenden
Ansprüche
und ihre Äquivalente
definiert werden.