DE69718142T2

DE69718142T2 - Verfahren zum ätzen von halbleiterscheiben

Info

Publication number: DE69718142T2
Application number: DE69718142T
Authority: DE
Inventors: C. Abraham
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 1996-02-15
Filing date: 1997-02-14
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2017-02-15
Also published as: KR100491199B1; WO1997030472A1; EP0880799A1; JP3957319B2; EP0880799B1; JP2000504884A; KR19990082633A; TW287304B; DE69718142D1; KR100451487B1; KR20040021612A; US6004884A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen (ICs). Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren zum Ätzen durch einen IC- Schichtstapel, einschließlich der titanhaltigen Schicht, während der IC-Herstellung.
Bei der Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen werden Vorrichtungen wie Einzeltransistoren auf einem Halbleiterwafer oder -substrat, welches üblicherweise aus ist, gebildet. Metallische Verbindungsleitungen, welche aus einer auf den Wafer aufgebrachten Metallisierungsschicht ausgeätzt werden, werden dann verwendet, um die Vorrichtungen miteinander zu verbinden und die gewünschte Schaltung zu erzeugen. Um die Beschreibung zu erleichtern, zeigt Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Schichtstapels 20 mit den bei der Herstellung einer typischen integrierten Halbleiterschaltung gebildeten Schichten. Es sei erwähnt, dass zusätzliche Schichten über, unter oder zwischen den gezeigten Schichten vorliegen können. Ferner müssen nicht alle gezeigten Schichten zwingend vorliegen, und einige oder alle können durch weitere verschiedene Schichten ersetzt werden.
Am Boden des Schichtstapels 20 ist ein Wafer 100 gezeigt. Eine Oxidschicht 102, die üblicherweise SiO&sub2; enthält, wird über dem Wafer 100 gebildet. Eine Sperrschicht 104, üblicherweise aus einer titanhaltigen Schicht, wie Ti, TiW, TiN oder einem anderen geeigneten Sperrschichtmaterial, kann zwischen der Oxidschicht 102 und einer anschließend aufgebrachten Metallisierungsschicht 106 aufgetragen werden. Die Sperrschicht 104, sofern sie bereitgestellt wird, dient dazu die Diffusion von Siliziumatomen aus der Oxidschicht 102 in die Metallisierungsschicht zu unterbinden.
Die Metallisierungsschicht 106 umfasst üblicherweise Kupfer, Aluminium oder eine der bekannten Aluminiumlegierungen, wie Al-Cu, Al-Si oder Al-Cu-Si. Die restlichen zwei Schichten in Fig. 1, d. h. eine Antireflektionsbeschichtungs-(ARC-)Schicht 108 und eine darüber liegende Photoresist-(PR-)Schicht 110 werden dann auf der Metallisierungsschicht 106 ausgebildet. Die ARC-Schicht 108, welche üblicherweise eine weitere titanhaltige Schicht, wie TiN oder TiW, enthält, hilft zu verhindern, dass Licht (z. B. aus dem Lithographieschritt, der Photoresist mustert) von der Oberfläche der Metallisierungsschicht 106 reflektiert und gestreut wird und kann in manchen Fällen verhindern, dass Stege entstehen. Die Photoresistschicht 110 zeigt eine Schicht aus einem herkömmlichen Photoresistmaterial, welches für das Ätzen, z. B. durch Aussetzen gegenüber ultravioletten Strahlen, gemustert werden kann. Die Schichten des Schichtstapels 20 sind leicht vom Fachmann zu erkennen und können durch eine Anzahl geeigneter und bekannter Ablagerungsverfahren hergestellt werden, einschließlich der chemischen Dampfabscheidung (CVD), der plasmaverstärkten chemischen. Dampfabscheidung (PECVD) und der physikalischen Dampfabscheidung (PVD) wie durch Sputtern.
Um die oben genannten metallischen Verbindungsleitungen zu bilden, wird ein Teil der Schichten des Schichtstapels, einschließlich der Metallisierungsschicht, z. B. der Metallisierungsschicht 106, mit einer geeigneten Photoresisttechnik geätzt. Bei einem solchen Photoresistverfahren wird die Photoresistschicht 110 beispielsweise gemustert, indem man das Photoresistmaterial in einem Kontakt- oder Stepper-Lithographiesystem exponiert und das Photoresistmaterial entwickelt, so dass eine Maske entsteht, die das anschließende Ätzen erleichtert. Mit Hilfe eines geeigneten Ätzmittels werden die Bereiche der Metallisierungsschicht, die nicht durch die Maske geschützt sind, dann weggeätzt, wobei die verbindenden Metallisierungsleitungen oder -merkmale zurückbleiben.
Zur Verdeutlichung zeigt Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Schichtstapels 20 aus Fig. 1 nach Beendigung des herkömmlichen Ätzens. In diesem Beispiel sind die metallischen Verbindungsleitungen durch die ungeätzten Bereiche der Metallisierungsschicht 106 gezeigt.
Um eine größere Schaltungsdichte zu erreichen, sind moderne IC-Schaltungen mit immer engeren Konstruktionsregeln bemessen. Folglich hat sich die Größe der Merkmale, d. h. die Breite der Verbindungsleitungen oder der Aussparungen (z. B. Gräben) zwischen den aneinanderliegenden Verbindungsleitungen, stetig verringert. Während beispielsweise eine Leitungsbreite von etwa 0,8 Mikrometer (um) in einem dynamischen 4 Megabit (Mb) Arbeitsspeicher (DRAM)-IC als annehmbar gilt, werden in 256 Mb DRAM-ICs vorzugsweise Verbindungsleitungen von nur 0,25 Mikrometer oder weniger eingesetzt.
Mit abnehmender Merkmalsgröße wird es zunehmend schwieriger eine einheitliche Ätzrate über den Wafer zu erreichen. Üblicherweise ist die Ätzrate in engen Beabstandungen langsamer als in den breiteren, offenen Bereichen. Dieses Phänomen, was hier als Ätzratenbelastung bezeichnet wird, kann eine Folge der Mikrobelastung und des vom Seitenverhältnis abhängigen Ätzens (ARDE) sein. Die Mikrobelastung betrifft hauptsächlich den Fall, bei dem die Ätzrate in Bereichen mit einer hohen Dichte der Leitungsabstände kleiner ist als die Ätzrate bei gleich großen Gräben, die in einem weniger dichten Bereich vorliegen. Das ARDE betrifft andererseits hauptsächlich den Fall, bei dem Veränderungen der Ätzraten zwischen Gräben vorkommen, die in Bereichen mit ähnlicher Grabendichte angeordnet sind und die unterschiedliche Seitenverhältnisse aufweisen. Die Belastung der Ätzraten führt dazu, dass in einem Schichtstapel Gräben mit unterschiedlicher Rate gebildet werden. Die Belastung der Ätzraten verschlechtert sich, wenn die Grabenbreite unter etwa 0,5 um und insbesondere wenn die Grabenbreite unter etwa 0,35 um fällt. Aufgrund dieser Veränderungen der Ätzrate kann bis zu dem Zeitpunkt, zu dem das Metallätzen in Bereichen mit einer geringen Ätzrate abgeschlossen ist (z. B. in Bereichen mit engem Leitungsabstand), bereits ein Überätzen, d. h. das unvermeidbare Entfernen von Material aus darunter liegenden Schichten, in Bereichen mit einer höheren Ätzrate (z. B. den offenen Bereichen) erfolgen.
In Fig. 2 zeigt der Bereich 120 einen offenen Bereich, wo die Metallisierungsschicht überätzt ist (um den Abstand d1), und der Bereich 122 zeigt einen untergeätzten Bereich, wo die Metallisierung unterätzt ist (um den Abstand d2). Sind die Veränderungen der Ätzrate groß genug, ist es bei manchen Formen nicht möglich die Zielschicht, z. B. die Metallschicht, in Bereichen mit geringeren Abständen zu durchätzen, bevor den darunter liegenden Schichten in den freien Bereichen unerwünschter Schaden zugeführt wird. Beispielsweise können große Unterschiede der Ätzrate ein unerwünschtes Überätzen sowie einen übermäßigen Oxidverlust in dem Bereich 120 verursachen, was dazu führt, dass der Wafer in einer Weise bearbeitet wird, die ihn für die Verwendung zur Herstellung integrierter Schaltungen unbrauchbar macht.
Im Stand der Technik wird die TiN-ARC-Schicht, die Aluminium-Metallisierungsschicht und die TiN-Sperrschicht üblicherweise durch ein einziges chemisches Mittel geätzt, z. B. Cl&sub2;/BCl&sub3;. Cl&sub2;/BCl&sub3; ätzt üblicherweise schneller durch die Aluminium-Metallisierungsschicht als durch die TiN-Schicht. Es wurde beispielsweise gefunden, dass die Ätzrate von Cl&sub2;/BCl&sub3; durch Aluminium etwa 9.000 Ångström/Minute beträgt, während seine Ätzrate durch TiN nur etwa 2.500 bis 3.000 Ångström/Minute ist. Die langsamere TiN- Ätzrate verringert die Gesamtbearbeitungszeit der Wafer nachteilig, d. h. es können wenige Wafer innerhalb einer Zeiteinheit verarbeitet werden. Ferner verringert die langsamere TiN-Ätzrate die Photoresistselektivität, da die schützende Photoresistschicht dem Ätzverfahren für einen längeren Zeitraum ausgesetzt werden muss.
Die US-A-54 11 631 beschreibt ein Verfahren zum Ätzen eines AlSiCu/Ti/TiN-Stapels mit einem Ätzgas wie CHF&sub3;, Ar und Cl&sub2;.
Die US-A-54 29 070 beschreibt mehrere Ätzgase für Al- oder Ti-haltige Folien.
Angesichts des Vorstehenden besteht ein Bedarf für verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zum Ätzen durch eine titanhaltige Schicht, wie die TiN-ARC-Schicht oder die TiN-Sperrschicht, bei der Herstellung von integrierten Schaltungen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein wie in den Ansprüchen beschriebenes Verfahren zum Ätzen eines Waferstapels. Die vorliegende Erfindung wird durch Lesen der nachstehenden ausführlichen Beschreibung und Studieren der verschiedenen Figuren in den Zeichnungen deutlich.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Schichtstapels, der die Schichten zeigt, die während der Herstellung eines typischen Halbleiter-IC's gebildet werden.
Fig. 2 zeigt im Querschnitt den Schichtstapel aus Fig. 1 nach Abschluss des herkömmlichen Ätzens.
Fig. 3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines TCPTM-9600-SE-Plasmareaktors, welcher ein geeignetes Plasmaverarbeitungssystem zum Gebrauch in dem erfindungsgemäßen Ätzverfahren darstellt.
Fig. 4 zeigt ein Ätzverfahren, worin das erfindungsgemäße erste chemische Mittel zum Ätzen durch die TiN-ARC-Schicht verwendet wird.
Fig. 5 zeigt ein Ätzverfahren, worin das erfindungsgemäße erste chemische Mittel zum Ätzen durch die TiN-Sperrschicht verwendet wird.
Fig. 6 zeigt ein Ätzverfahren, worin das erfindungsgemäße chemische Mittel zum Ätzen sowohl durch die TiN-ARC-Schicht als auch die TiN-Sperrschicht verwendet wird.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Es wird eine Erfindung für ein verbessertes Ätzen durch die titanhaltige Schicht, wie die TiN-ARC-Schicht oder die TiN-Sperrschicht, bei der Herstellung von ICs beschrieben. In nachstehender Beschreibung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten beschrieben, damit die vorliegende Erfindung genau verstanden wird. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass die vorliegende Erfindung ohne einiger oder aller, dieser spezifischen Einzelheiten ausgeführt werden kann. Andererseits wurden gut bekannte Verfahrensschritte nicht ausführlich beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht unnötigerweise zu verdecken.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das vorgenannte Ätzraten- Belastungsproblem gelöst, indem der Schichtstapel in zwei Schritten mit, zwei verschiedenen chemischen Mitteln geätzt wird. Dieser erste chemische Ätzschritt verläuft vorzugsweise wenigstens durch die TiN-ARC-Schicht, z. B. die ARC-Schicht 108 aus Fig. 1. Zusätzlich zu dem wesentlichen TiN-Ätzgas, welches zum Ätzen der vorgenannten TiN-ARC-Schicht verwendet wird, umfasst das erste chemische Mittel ein Edelgas und ein Polymerbildendes Gas. Danach wird der Schichtstapel wieder geätzt, diesmal mit einem zweiten chemischen Mittel, das sich von dem ersten chemischen Mittel unterscheidet. Diesen zweiten chemischen Ätzschritt lässt man bis wenigstens teilweise durch die Metallisierungsschicht, z. B. die Schicht 106 aus Fig. 1 durchdringen. Die TiN- Sperrschicht wird dann mit dem vorstehend genannten ersten chemischen Mittel geätzt.
Das erfindungsgemäße Ätzverfahren kann in jedem bekannten Plasmaverarbeitungsgerät, einschließlich denen, die zum Trockenätzen, Plasmaätzen, reaktiven Ionenätzen (RIE), magnetisch gefördertem reaktiven Ionenätzen (MERIE) oder dergleichen angepasst sind, verwendet werden. Zur weiteren Ausführung sei gesagt, dass in einer typischen Plasmaverarbeitungskammer, welche zum Trockenätzen angepasst ist, der Wafer mit Plasma behandelt wird. Die Kammer umfasst eine Einlassöffnung, durch die die Ätzgase in das Kammerinnere geleitet werden. Eine geeignete RF-Energiequelle, z. B. eine RF-Energiequelle, wird an die Elektroden, die mit der Kammer verbunden sind, angelegt, um das Plasma zu induzieren. Die Energie selbst kann induktiv oder kapazitiv gekoppelt sein, um das Plasma, wie bekannt ist, aufrecht zu erhalten. Aus dem Ätzgas bilden sich dann Verbindungen, die mit dem Wafer reagieren und an der Plasma-kontaktierenden Schicht des Waferschichtstapels wegätzen. Die Nebenprodukte, welche flüchtig sein können, werden dann durch die Auslassöffnung abgelassen.
Das Plasmaätzen betrifft den Fall, wo der Wafer während der Waferverarbeitung an der Anode oder dem Erdungsstab positioniert ist. Andererseits betrifft das reaktive Ionenätzen (RIE) den Fall, wo der Wafer während der Verarbeitung an der Kathode oder der angeschlossenen Elektrode positioniert ist. Magnetisch gefördertes reaktives Ionenätzen (MERIE) betrifft eine Variante der RIE-Reaktoranordnung, worin ein magnetisches Feld angelegt wird, um den Verlust der energetischen Elektronen auf der Reaktorwandoberfläche zu verringern. Es wurde gefunden, dass die MERIE-Reaktoren unter bestimmten Bedingungen die Wirksamkeit der Energieübertragung von den Elektroden zu den Elektronen im Plasma erhöhen können.
Es wird erwägt, dass die Erfindung in allen obigen Reaktoren durchgeführt werden kann, ebenso wie in anderen geeigneten Plasmaverarbeitungsreaktoren. Es wird darauf verwiesen, dass das obige unabhängig davon zutrifft, ob Energie ins Plasma gelangt durch kapazitiv gekoppelte parallele Elektrodenplatten, durch Elektron-Cyclotron-Resonanz (ECR), Mikrowellenplasmaquellen, durch induktiv gekoppelte RF-Quellen, wie "Helicon", spiralförmige Resonatoren, und Transformer-gekoppeltes Plasma (TCP). ECR- und TCP-Plasmaverarbeitungssysteme sind unter anderem erhältlich von Lam Research Corporation aus Fremont, Californien.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung in einem TCPTM- 9600-SE-Plasmareaktor eingesetzt, der von Lam Research Corporation stammt, obwohl, wie oben erwähnt, jedes andere herkömmliche und geeignete Plasmaverarbeitungssystem genauso gut verwendet werden kann. Fig. 3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung des TCPTM-9600-SE-Plasmareaktors, einschließlich dem Wafer 350 und den integrierten Schaltungschips 352, welche aus Plättchen hergestellt wurden, die aus dem Wafer 350 ausgeschnitten wurden, nachdem der Wafer gemäß dem erfindungsgemäßen Ätzverfahren geätzt und in einem herkömmlichen Post-Ätz-Schritt verarbeitet wurde. Mit Bezug auf Fig. 3 umfasst ein Waferreaktor 300 eine Plasmaverarbeitungskammer 302. Über der Kammer 302 ist eine Elektrode 303 angebracht, welche durch eine Spule in dem Beispiel aus Fig. 1 ergänzt ist. Die Spule 303 wird durch einen RF-Generator 305 über ein passendes Netzwerk (nicht in Fig. 3 gezeigt) betrieben.
Innerhalb der Kammer 302 befindet sich ein Duschkopf 304, welcher vorzugsweise eine Anzahl Löcher zur Freisetzung von gasförmigen Materialien, z. B. den Ätzgasen, in den RF-induzierten Plasmabereich zwischen sich selbst und einem Wafer 350 umfasst. Die gasförmigen Ausgangsmaterialien können auch aus Öffnungen freigesetzt werden, die in den Wänden der Kammer selbst eingebaut sind. Der Wafer 350 wird in die Kammer 302 eingeführt und auf einer Spannvorrichtung 310 abgelegt, welche als zweite Elektrode dient und vorzugsweise durch einen Radiofrequenzgenerator 320 (auch üblicherweise über ein passendes Netzwerk) vorgespannt wird. Helium-Kühlgas wird unter Druck (z. B. etwa 5-10 Torr in einer Ausführungsform) zwischen der Spannvorrichtung 310 und dem Wafer 350 eingeleitet, um als Wärmeübertragungsmedium zur genauen Kontrolle der Wafertemperatur während der Verarbeitung zu dienen und sicherzustellen, dass gleichförmige und wiederholbare Ätzergebnisse erhalten werden. Während des Plasmaätzens wird der Druck in der Kammer 302 vorzugsweise gering gehalten, z. B. zwischen etwa 8 und 22 mTorr in einer Ausführungsform. Eine Anzahl Heizgeräte (die in Fig. 1 weggelassen wurden, um die Darstellung zu vereinfachen) wurde bereitgestellt, um eine geeignete Kammertemperatur für das Ätzen bereitzustellen (z. B. etwa 70ºC in einer Ausführungsform). Um eine Verbindung zur Erde bereitzustellen wurde die Kammerwand der Kammer 302 üblicherweise geerdet.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die titanhaltige anti-reflektierende Überzugsschicht des Waferstapels mit einem ersten chemischen Mittel geätzt. Obwohl in dieser Ausführungsform angenommen wird, dass die antireflektierende Überzugsschicht die Schicht darstellt, welche mit dem ersten chemischen Mittel geätzt wird, kann dieser erste chemische Ätzschritt in bestimmten Waferstapelmustern auch auf jeder die Metallisierungs-Deckschicht, z. B. Adhäsionsschicht, Sähschicht oder dergleichen durchgeführt werden. Wie hierin verwendet steht eine die Metallisierungs-Deckschicht für ein Schicht, die auf eine Metallisierungsschicht aufgetragen wird. Diese Deckschicht kann entweder aus TiN oder einem Titan-ähnlichen Material hergestellt werden.
Der Ätzenvorgang mit dem ersten chemischen Mittel ist vorzugsweise beendet, wenn man feststellt, dass die anti-reflektierende Überzugsschicht durchgeätzt ist. In einem Beispiel wird die anti-reflektierende Überzugsschicht aus TiN hergestellt und der Endpunkt wird dadurch festgestellt, dass man den Anstieg der Wellenlänge bei 703 nm im Plasma optisch überwacht; dadurch wird angezeigt, dass im wesentlichen die gesamte Antireflektions-TiN-Überzugsschicht entfernt worden ist. Das Ätzen kann dann sofort eingestellt werden. Andere herkömmliche Verfahren zur Endpunkterkennung für diesen ersten chemischen Ätzschritt können auch verwendet werden.
Das erste chemische Mittel zum Ätzen einer Antireflektions-TiN-Überzugsschicht umfasst drei verschiedene Gase: Ein TiN-Ätzgas, ein Edelgas und ein polymerbildendes Gas. Weiter bevorzugt ist das TiN-Ätzgas Chlor (Cl&sub2;) und das Edelgas kann eines sein, ausgewählt aus der Gruppe aus Argon, Xenon, Krypton oder dergleichen. Am meisten bevorzugt werden in den ersten chemischen Mittel zum Ätzen einer Antireflektions-TiN- Überzugsschicht Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3; verwendet.
Anschließend wird der restliche Schichtstapel mit einem zweiten chemischen Mittel, wenigstens teilweise durch die Metallisierungsschich, durchgeätzt. Das zweite chemische Mittel kann beispielsweise zum Durchätzen des Großteils der Metallisierungsschicht verwendet werden, wobei die darunter liegende Sperrschicht wieder mit dem ersten chemischen Mittel geätzt wird. Das zweite chemische Mittel unterscheidet sich deshalb von dem ersten chemischen Mittel, da, wenn man ein polymerbildendes Gas in dem Hauptätzschritt, z. B. durch die Aluminium-Metallisierungsschicht, verwenden würde, aufgrund der Mikromaskierung Rückstände entstehen könnten und es auch zu einer Verringerung der Photoresistselektivität kommen könnte. Die Verwendung neuer erster chemischer Mittel (um durch die ARC-Schicht zu ätzen), die sich von diesen zweiten chemischen Mittel unterscheiden, bildet ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung. Dies steht im starken Gegensatz zu dem Stand der Technik, wo das Ätzen mit nur einem chemischen Mittel (üblicherweise Cl&sub2;/BCl&sub3;) durchgeführt wird, um sowohl durch die TiN-ARC-Schicht als auch die Metallisierungsschicht zu ätzen.
Der erfindungsgemäße Ansatz unterscheidet sich wesentlich von den Ansätzen aus dem Stand der Technik mit zwei chemischen Mitteln. Im Stand der Technik wird ein Ansatz mit zwei chemischen Mitteln verwendet, wenn Titanwolfram (TiW) als ARC-Schichtmaterial eingesetzt wird, nicht jedoch wenn Titannitrat (TiN) das ARC-Schichtmaterial ist. Ausführlicher gesagt verwendet der Ansatz aus dem Stand der Technik ein erstes chemisches Mittel mit SF&sub6;, um die TiW-ARC-Schicht wegzuätzen. Die restlichen Schichten werden dann gemeinsam mit einem anderen chemischen Mittel, z. B. Cl&sub2;/BCl&sub3;, geätzt, da SF&sub6; Aluminium nicht gut ätzt. Es sei erwähnt, dass SF&sub6; im Stand der Technik aufgrund seiner Fähigkeit das TiW-Material zu ätzen als erstes chemisches Mittel verwendet wird, nicht jedoch um die Ätzratenbelastung zu verringern. Ferner umfasst das Verfahren aus dem Stand der Technik nicht das Zugeben eines polymerbildenden Gases zu der Ätzchemikalie in dem ersten chemischen Mittel, da SF&sub6; in dem ersten chemischen Mittel sowohl als Ätzmittel als auch als polymerbildendes Gas dient.
SF&sub6; hat auch eine hohe Ätzrate für Photoresist. Folglich ist es üblicherweise notwendig eine dickere Photoresistschicht einzusetzen, wenn TiW das ARC-Schichtmaterial ist, um die darunter liegenden Strukturen angemessen vor dem SF&sub6;-Ätzmittel zu schützen.
Für TiN als Material für die ARC-Schicht wurde im Stand der Technik jedoch ein einziges chemisches Mittel, z. B. Cl&sub2;/BCl&sub3;, sowohl für das Ätzen der TiN-ARC-Schicht als auch das Hauptätzen verwendet. Dies liegt daran, dass das TiN-Ätzmittel, z. B. das Cl&sub2;, nicht unter dem mit SF&sub6; assoziierten Problem der Photoresistselektivität leidet, d. h. Cl&sub2; besitzt keine höhere Ätzrate gegenüber Photoresist im Vergleich zu SF&sub6;.
Die Verwendung eines polymerbildenden Gases aus CHF&sub3; in dem ersten chemischen Mittel ist auch ein nicht naheliegendes Merkmal der vorliegenden Erfindung, da polymerbildende Gase dazu neigen Photoresist schnell wegzuätzen, d. h. seine Zugabe zu einem chemischen Ätzverfahren verringert die Photoresistselektivität. Die Verwendung eines polymerbildenden Gases in dem ersten chemischen Mittel ist dann gegensätzlich zu den herkömmlichen Ansätzen, welche darauf hinarbeiten die Photoresistselektivität zu erhöhen. Da das erfindungsgemäße erste chemische Mittel, welches zusätzlich zu einem Ätzmittel ein polymerbildendes Gas umfasst, nur für kurze Zeit und in angemessenen Mengen angewendet wird, um durch die dünne Deckschicht und/oder die Sperrschicht, z. B. die TiN-ARC-Schicht und/oder die TiN-Sperrschicht, zu ätzen, zeigen die erhaltenen Daten keine unangemessen störenden Ergebnisse. Das Volumen des polymerbildenden Gases darf jedoch nicht so groß sein, z. B. etwa 50% oder mehr des Cl&sub2;-Flusses, dass es die schützende Photoresistschicht unangemessen schädigt, eine übermäßige Passivierungsablagerung verursacht und möglicherweise die Ätzratenbelastung umkehrt.
Die Ätzratenbelastung kann verringert werden, indem man ein anderes chemisches Mittel zu Beginn des Ätzens einsetzt (z. B. auf die Schicht, die über der Metallisierungsschicht liegt, wie die ARC-Schicht), so dass das Thema der Ätzraten-Belastung zu diesem Anfangsstadium gelöst wird. Für weitere Einzelheiten wird Bezug genommen auf die ebenfalls anhängige Patentanmeldung mit dem Titel "Methods and Apparatus for Reducing Etch Rate Loading" und mehreren Anmeldern (anwaltliches Aktenzeichen Nr. P195/LAM1P008), eingereicht am gleichen Tag.
Bei dem Cl&sub2;/BCl&sub3;-ein-Chemikalien-Ätzverfahren aus dem Stand der Technik betrug die Ätzratenbelastung für einen 6-Inch-Wafer und einer 0,35 um (Mikron) Anordnung etwa 25-30%, d. h. die Ätzrate in den offenen Bereichen war etwa 25-30% schneller als in den 0,35 um-Beabstandungen. Unter ähnlichen Verfahrensbedingungen erreichte die Ätzratenbelastung für ein Ätzverfahren, welches Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3; als erstes chemisches Mittel zum Ätzen der TiN-ARC-Schicht verwendete, etwa 3% bzw. 2% im Waferinneren und an dem Waferkanten.
Aufgrund der verringerten Ätzratenbelastung muss man die Ätzzeit nicht verlängern, um zu erreichen, dass die Metallschicht in den engen Beabstandungen durchgeätzt wird. Die kürzeren Ätzzeiten führen dazu, dass während des Hauptätzvorgangs weniger Schäden an den schützenden Photoresist-Maskenbereichen entstehen, was die Fähigkeit der Photoresist-Maskenbereiche zum Schützen der darunter liegenden Strukturen während des Ätzens verbessert.
Die Verwendung von Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3; in dem ersten chemischen Mittel zum Durchätzen der TiN-ARC-Schicht führt vorteilhafter Weise zu einem erhöhten Waferdurchsatz. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das erfindungsgemäße Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3;-Mittel mit höherer Geschwindigkeit durch TiN ätzt als das Cl&sub2;/BCl&sub3;-Mittel aus dem Stand der Technik. Während mit dem Cl&sub2;/BCl&sub3;-haltigen chemischen Mittel aus dem Stand der Technik beispielsweise eine TiN-Ätzrate von etwa 2500-3000 Ångström/Minute erreicht werden, kann die TiN-Schicht erfindungsgemäß mit Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3; mit über 10.000 Ångström/ Minute geätzt werden. Verbessert sich die Ätzrate für die TiN-ARC-Schicht, erhöht sich der Waferdurchsatz.
Es wurde auch beobachtet, dass wenn das erste chemische Mittel (wie Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3;) zum Durchätzen der TiN-ARC-Schicht eingesetzt wurde, weniger Erosionsgräben an der Grenzfläche entständen. Die Grenzflächen-Gräbenbildung betrifft die Gräben, die manchmal an der Grenzfläche zwischen der ARC-Schicht und der Metallisierungsschicht auftreten, wenn das chemische Mittel mit Cl&sub2;/BCl&sub3; aus dem Stand der Technik zum Durchätzen beider Schichten verwendet wird. Da die Grenzflächen-Gräbenbildung eine Abweichung von der gewünschten vertikalen Ätzseitenwand darstellt, ist die Tatsache, dass dies durch das Verwenden des erfindungsgemäßen ersten chemischen Mittels, z. B. Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3;, im wesentlichen vermieden wird, ein Vorteil der vorliegenden Erfindung.
Danach kann das Hauptätzverfahren mit einem herkömmlichen zweiten chemischen Mittel zum Ätzen der verbleibenden Schichten durchgeführt werden. Das zweite chemische Mittel selbst kann jedes geeignete Ätzmittel und Beschusschemikalien zum Ätzen durch die Metallisierungsschicht umfassen. In einer Ausführungsform ist das zweite chemische Mittel eins aus der Gruppe aus Cl&sub2;/BCl&sub3;, Cl&sub2;/BCl&sub3;/CHF&sub3;, Cl&sub2;/BCl&sub3;/CHF&sub3;, Cl&sub2;/BCl&sub3;/HCl, Cl&sub2;/BCl&sub3;/N2 und Cl&sub2;/N&sub2;. Es wurde beispielsweise gefunden, dass ein Gemisch aus Cl&sub2;/BCl&sub3;/CHF&sub3; mit einem Fließvolumenverhältnis von 70 : 20 : 10 (in sccm) geeignet ist zum Ätzen durch eine Metallisierungsschicht, welche eine Legierung aus Aluminium mit etwa 0,5-1% Kupfer enthält.
Das Ätzen mit dem zweiten chemischen Mittel kann eingestellt werden, wenn die Metallisierungsschicht wenigstens teilweise durchgeätzt ist. Dann kann ein anderes chemisches Mittel verwendet werden, um durch die verbleibende Metallisierungsschicht zu ätzen. Weiter bevorzugt wird das Ätzen mit dem zweiten chemischen Mittel eingestellt, wenn festgestellt wird, dass die Metallisierungsschicht durchgeätzt wurde. Die Metallisierungsschicht besteht aus Aluminium oder einem seiner Legierungen, und der Endpunkt wird festgestellt, indem man überwacht, wann die optische Wellenlänge bei 261 nm im Plasma ansteigt, was darauf hinweist, dass im wesentlichen die gesamte Aluminium-Metallisierungsschicht entfernt worden ist. Das zweite chemische Ätzverfahren kann dann sofort eingestellt werden oder man lässt es für einen vorbestimmten Zeitraum fortfahren, z. B. wenige weitere Sekunden, um sicherzustellen, dass das Metallisierungsschichtmaterial vollständig entfernt ist.
Das zuvor genannte Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3; wird zum Ätzen durch eine TiN-Sperrschicht verwendet, nachdem der Hauptätzschritt abgeschlossen ist.
Die Verwendung des erfindungsgemäßen ersten Mittels zum Ätzen durch eine titanhaltige Sperrschicht bietet mehrere wichtige Vorteile. Beispielsweise, wenn Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3; zum Ätzen durch die TiN-Sperrschicht verwendet wird (nach dem herkömmlichen Hauptätzschritt), führt die hohe TiN-zu-Aluminium-Selektivität (z. B. bis zu etwa 4,6 : 1 in einem Fall) von Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3;, sowie seine hohe TiN-Ätzrate vorteilhafterweise zu weniger Unterschneiden der Aluminiumseitenwand. In Gegensatz dazu leidet das herkömmliche Mittel Cl&sub2;/BCl&sub3; unter dem Nachteil einer langsameren TiN-Ätzrate und geringeren Selektivität für Aluminium. Diese nachteiligen Eigenschaften des herkömmlichen Mittels Cl&sub2;/BCl&sub3; führt nach dem Ätzen zu einem weniger vertikalen Aluminiumprofil.
Die schnellere TiN-Ätzrate des ersten erfindungsgemäßen chemischen Mittels, z. B. Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3;, führt auch zu einem Anstieg der Waferdurchsatzrate, wenn es zum Ätzen durch die Sperrschicht verwendet wird. Ferner scheint die Verwendung von Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3; zum Ätzen durch die TiN-Sperrschicht auch den Sperrfuß zu verringern. Ein Sperrfuß beschreibt das Vorliegen einer stufenartigen Struktur in der Sperrschicht am Fuß des Aluminiummerkmals nach dem Ätzen. Ein Sperrfuß wird auch manchmal im Stand der Technik beobachtet, wenn Cl&sub2;/BCl&sub3; zum Ätzen sowohl durch die Aluminium-Metallisierungsschicht als auch die TiN-Sperrschicht in engen Beabstandungen verwendet wird.
Es wird angenommen, dass das Phänomen des Sperrfußes im wesentlichen, durch das erfindungsgemäße Ätzverfahren vermieden wird, und zwar aufgrund der Tatsache, dass die TiN-Ätzrate des erfindungsgemäßen ersten Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3;-Mittels (etwa 10.000 Ångström/Minute) besser mit der Aluminiumätzrate übereinstimmt (d. h. etwa 9.000 Ångström/Minute mit Cl&sub2;/BCl&sub3;) als die TiN-Ätzrate des TiN-Ätzmittels aus dem Stand der Technik (d. h. etwa 2.500-3.000 Ångström pro Minute mit Cl&sub2;/BCl&sub3;). Da ein Sperrfuß für eine Abweichung von den vertikal geätzten Seitenwänden und der Ebenheit des Grabenbodens darstellt, ist seine Vermeidung durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3;-Mittels ein Vorteil der vorliegenden Erfindung.
Ferner führt der Gebrauch des erfindungsgemäßen Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3;-Mittels auch zu weniger. Oxidverlust während des Ätzens der Sperrschicht. Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3; besitzt eine TiN-zu-Oxid- Selektivität von etwa 5 : 1, d. h. es ätzt etwa 5 mal schneller durch das TiN-Material als durch das Oxidmaterial. Im Gegensatz dazu haben herkömmliche chemische Mittel, wie Cl&sub2;/BCl&sub3; eine TiN-zu-Oxid-Selektivität von nur etwa 1,5 : 1 bis 2 : 1. Die höhere TiN-zu- Oxid-Selektivität ist besonders vorteilhaft zur Vermeidung eines übermäßigen Oxidverlusts in den, weiten Flächen, wenn der Sperr-Ätzschritt ausgedehnt wird, um sicherzustellen, dass alles Sperrschichtmaterial, selbst in den engen Räumen, entfernt wird.
Es wird spekuliert, dass folgende Mechanismen für den Erhalt der hierin beschriebenen vorteilhaften Ätzergebnisse verantwortlich sind. Möglicherweise liegt zu Beginn der ARC-Schicht-Ätzenstufen eine dünne maskierende Photoresistschicht-Auskleidung am Boden des engen Erosionsgraben vor. Diese dünne Photoresistschicht kann beispielsweise aus Photoresistrückständen bestehen, die in kleinen Räumen nach dem Photoresist- Musterungsschritt zurückgeblieben sind. Die Rückstände können vorliegen, da, obwohl das Photoresist angemessen aus dem Großteil der Flächen während des Photoresist- Musterns entfernt worden ist, es nicht vollständig aus den kleinen Räumen entfernt wurde. Dann das Vorliegen eines Edelgases in dem ersten chemischen Mittel, z. B. Argon, das physikalische Ätzen (d. h. das Beschießen) dieser dünnen Maskierungsschicht fördern, so dass das Ätzen in den kleinen Räumen etwa zum gleichen Zeitpunkt wie in den offenen Flächen initiiert wird. Damit wird die Ätzratenbelastung vorteilhaft verringert.
Das polymerbildende chemische Mittel, d. h. CHF&sub3;, liegt zusätzlich zu dem chemischen Mittel vor, welches für das Ätzen verantwortlich ist (z. B. Cl&sub2;). Auf diese Weise ätzt das erste chemische Mittel die darüber liegende. Schicht (z. B. die TiN-ARC-Schicht) weg, während gleichzeitig Polymer auf dieser darüber liegenden Schicht abgelagert wird. Es wird angenommen, dass die Verwendung eines polymerbildenden Mittels in dem ersten chemischen Mittel die breiteren Flächen mikromaskiert, d. h. dazu führt, dass maskierende Polymere in den breiteren Flächen mit einer schnelleren Rate abgelagert werden als in den engeren Räumen. Aufgrund des Mikromaskierungs-Phänomens kann die Ätzrate in den breiteren Flächen verlangsamt werden, wodurch sich der Unterschied zwischen der Ätzrate in den breiteren Flächen und in den engeren Flächen verringert.
Die Ätzrate kann angepasst werden, indem das Fließvolumenverhältnis des polymerbildenden Mittels in angemessener Weise modifiziert wird. Beispiel Weise kann man durch Erhöhen des Fließvolumenverhältnisses des polymerbildenden Mittel erreichen, dass die Ätzrate aufgrund einer stärkeren Polymerablagerung während des Ätzens dazu neigt abzusinken.
Es wird auch angenommen, dass das Vorliegen eines Edelgases, z. B. von Argon, die Dissoziierung von Cl&sub2; zu reaktiven Cl&spplus;-Teilchen fördert. Dort wo mehr reaktive Teilchen vorliegen erfolgt das Ätzen mit einer höheren Rate. Es wird auch angenommen, dass das Vorliegen eines Edelgases, z. B. Argon, zur Passivierung des Polymers führt, welches beispielsweise auf der Aluminiumseitenwand gebildet wird, beispielsweise während des Sperr-Ätzschritts, so dass seine Abstoßung gegenüber reaktiven Cl&spplus;-Teilchen ansteigt und dadurch die Affinität für diese Cl&spplus;-Teilchen für die Aluminiumseitenwand verringert wird. Folglich wandern reaktive Cl&spplus;-Teilchen leichter abwärts zu dem Boden des Erosionsgrabens, wo sie die Sperrschicht anisotroph und mit einer höheren Ätzrate ätzen.
Eine weitere mögliche Erklärung umfasst die Fähigkeit des Edelgases, z. B. Argon, die Oberflächendiffusion der reaktiven Cl&spplus;-Teilchen zu verändern, so dass diese leichter nach unten zum Boden des Erosionsgrabens wandern, anstelle dass sie an die. Aluminiumseitenwand haften.
Fig. 4 zeigt ein Ätzverfahren, worin das erfindungsgemäße erste chemische Mittel zum Ätzen durch die TiN-ARC-Schicht verwendet wird. Es versteht sich, dass vor dem Einsatz der hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Ätzverfahren der Wafer für das Ätzen in einem herkömmlichen Vorätzschritt vorbereitet werden muss. Der Vorätzschritt kann beispielsweise das Klemmen des Wafers auf eine Spannvorrichtung, das Stabilisieren des Drucks innerhalb der Plasmaverarbeitungskammer und das Einleiten von kühlendem Heliumgas auf die Waferrückseite umfassen, um den Wärmeaustausch zwischen dem Wafer und der Spannvorrichtung zu erleichtern.
In Schritt 402 wird die TiN-ARC-Schicht wenigstens teilweise mit dem erfindungsgemäßen ersten chemischen Mittel geätzt. Das erste chemische Mittel ist eine Kombination aus TiN-Ätzmittel, Edelgas und, polymerbildendem Gas für das Ätzen durch die TiN-ARC-Schicht. Vorzugsweise ist das erste chemische Mittel Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3; zum Ätzen durch die TiN-ARC-Schicht, und die Metallisierungsschicht umfasst vorzugsweise im wesentlichen Aluminium. In Schritt 404 werden die verbleibenden Schichten des Schichtstapels, einschließlich der Metallisierungsschicht und der Sperrschicht, mit einem herkömmlichen chemischen Mittel, z. B. Cl&sub2;/BCl&sub3;, geätzt.
Fig. 5 zeigt ein Ätzverfahren, worin das erfindungsgemäße erste chemische Mittel zum Ätzen durch die TiN-Sperrschicht verwendet wird. In Schritt 502 wird ein herkömmliches chemisches Mittel, z. B. Cl&sub2;/BCl&sub3;, verwendet, um durch beide Schichten, die ARC-Schicht und die Metallisierungsschicht, zu ätzen. In Schritt 504 wird das erfindungsgemäße erste chemische Mittel verwendet, um wenigstens teilweise durch die TiN-Sperrschicht zu ätzen. Das erste chemische Mittel ist eine "TiN-Ätzmittel/Edelgas/polymerbildendes Gas"-Kombination für das Ätzen durch die TiN-Sperrschicht. Vorzugsweise ist das erste chemische Mittel, mit dem vollständig durch die TiN-Sperrschicht geätzt wird, Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3;.
Fig. 6 zeigt ein Ätzverfahren, worin das erfindungsgemäße chemische Mittel zum Ätzen durch beide Schichten, die TiN-ARC-Schicht und die TiN-Sperrschicht verwendet wird.
In Schritt 602, der analog zu Schritt 402 aus Fig. 4 ist, wird die TiN-ARC-Schicht mit dem ersten chemischen Mittel geätzt. In Schritt 604 wird der Hauptteil des Schichtstapels, einschließlich der Metallisierungsschicht (jedoch ausgenommen die TiN-Sperrschicht) mit einem herkömmlichen chemischen Mittel, z. B. Cl&sub2;/BCl&sub3;, durchgeätzt. In Schritt 606 wird die TiN-Sperrschicht mit dem ersten chemischen Mittel geätzt. Dieser Schritt 606 entspricht dem Schritt 504 aus Fig. 5.
Im Anschluss an das Ätzverfahren gemäß entweder Fig. 4, 5 oder 6 kann der Wafer in zusätzlichen Nachätzungsschritten, nach bekannten Verfahren, bearbeitet werden. Danach kann der fertige Wafer zu Plättchen geschnitten werden, welche dann zu IC-Chips verarbeitet werden können. Der erhaltene IC-Chip, z. B. die IC-Chips 352 aus Fig. 3, kann dann in eine elektronische Vorrichtung, z. B. alle gut bekannten gewerblich erhältlichen Geräte oder elektronische Gebrauchsgüter, einschließlich digitaler Computer, eingesetzt werden.
Als Beispiel zeigt nachstehende Tabelle 1 die etwaigen Verfahrensparameter, die für das erste Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3;-Ätzmittel für einen 6-Inch-Wafers in einem TCPTM-9600-SE-Plasmareaktor geeignet sein können. In diesem Beispiel ist die Metallisierungs-Überzugsschicht eine Antireflektions-TiN-Schicht, welche über einer Aluminiumschicht liegt, die etwa 0,5% Kupfer enthält. In nachstehender Tabelle ist ein geeigneter ungefährer Bereich, ein bevorzugter ungefährer Bereich und ein weiter bevorzugter ungefährer Bereich für die Leistung der oberen Elektrode (in Watt), die Leistung der unteren Elektrode (in Watt) und die Fließraten (in Prozent, bezogen auf die Gesamtfließrate des Ätzmittels, es sei denn, es ist etwas anders angegeben) gezeigt. Andere Parameterwerte, die zum Ätzen hilfreich sein können, sind für den Fachmann leicht ersichtlich, sei es für den gleichen Wafer und die Antireflektions-Schicht oder für andere Wafer und Antireflektions-Schichten. TABELLE 1
Während die Erfindung anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, gibt es Abweichungen und Veränderungen sowie Äquivalente davon, die zum erfindungsgemäßen Umfang gehören. Beispielsweise, obwohl das erfindungsgemäße chemische Mittei, z. B. Cl&sub2;/Ar/CHF&sub3;, besonders geeignet zum Ätzen der TiN-ARC- und/oder Sperrschichten ist, sollte daran gedacht werden, dass das erste chemische Mittel auch zum Ätzen einer TiN-Schicht des Waferstapels verwendet werden kann. Es sei auch erwähnt, dass es viele alternative Wege zum Durchführen der Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung gibt. Die nachstehenden angefügten Ansprüche sind daher so zu verstehen, dass sie all solche Veränderungen, Abweichungen und Äquivalente, die in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, umfassen.

Claims

1. Ätzverfahren für einen Wafer-Stapel in einer Plasmaverarbeitungskammer, wobei der Wafer-Stapel eine gegebene Schicht, eine aluminiumhaltige Schicht und eine TiN-Grenzschicht enthält, die gegebene Schicht für eine erste Schicht, welche im wesentlichen aus TiN besteht, und eine zweite Schicht, welche im wesentlichen aus Ti besteht, steht, die gegebene Schicht auf die aluminiumhaltige Schicht aufgebracht wird und die aluminiumhaltige Schicht später auf die TiN-Grenzschicht aufgebracht wird, umfassend:

Ätzen wenigstens teilweise durch die gegebene Schicht mit einem ersten chemischen Verfahren, wobei das erste chemische Verfahren ein Ätzmittel, das zum Ätzen der gegebenen Schicht angepasst ist, ein Edelgas und ein polymerbildendes chemisches Mittel umfasst, wobei das polymerbildende chemische Mittel CHF&sub3; ist;

Ätzen wenigstens teilweise durch die aluminiumhaltige Schicht mit einem zweiten chemischen Verfahren, welches sich von dem ersten chemischen Verfahren unterscheidet; und

Ätzen wenigstens teilweise durch die TiN-Grenzschicht mit dem ersten chemischen Verfahren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Ätzmittel Cl&sub2; ist.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin das Edelgas Argon ist.