PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE4228218A1 10.03.1994
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Planarisierung einer Schicht auf einem Halbleitersubstrat
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Melzner, Hanno, Dipl.-Phys., Wappingers Falls, N.Y., US
DE-Anmeldedatum 25.08.1992
DE-Aktenzeichen 4228218
Offenlegungstag 10.03.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.03.1994
IPC-Hauptklasse H01L 21/31
IPC-Nebenklasse H01L 21/90   H01L 21/283   H05K 3/46   
Zusammenfassung Die Erfindung sieht vor, zur Planarisierung einer verformbaren Schicht (14) auf einem Halbleitersubstrat (1) einen mechanischen Druck auf alle Teile der Oberfläche (16) der zu planarisierenden Schicht (14) mittels eines Druckkörpers (6) auszuüben. Bevorzugt wird eine Kugel als Druckkörper über eine leitfähige Schicht vor ihrer Strukturierung gerollt, so daß vorhandene Kontaktlöcher mit dem leitfähigen Material aufgefüllt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Planarisierung einer Schicht auf einem Halbleitersubstrat sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In der Mikroelektronik stellt sich häufig das Problem, daß eine hergestellte Schicht eine zu große Unebenheit ihrer Oberfläche aufweist, meist aufgrund einer unter der Schicht bereits vorhandenen Struktur. Die Schicht muß dann planarisiert werden, unter anderem weil nachfolgend aufgebrachte Schichten nur dann zuverlässig strukturiert werden können, wenn der Höhenunterschied innerhalb der Fokustiefe des verwendeten lithographischen Systems liegt. Auch können Ätzprozesse durch einen nicht planarisierten Untergrund erschwert werden.

Ein Beispiel dafür ist die Mehrlagenverdrahtung von integrierten Schaltungen. Dabei wird normalerweise erst eine erste Verdrahtungsebene durch Aufbringen und Strukturieren eines leitfähigen Materials hergestellt. Anschließend wird eine isolierende Schicht aufgebracht. Sie isoliert die erste von der zweiten Verdrahtungsebene und glättet die durch die erste Verdrahtungsebene erzeugten Unebenheiten. Diese Planarisierung ist wichtig, weil nur auf genügend glattem Untergrund eine zweite Verdrahtungsebene zuverlässig aufgebracht und strukturiert werden kann. In die isolierende Schicht werden Kontaktlöcher geätzt, dann wird die zweite Verdrahtungsebene wiederum durch Aufbringen und Strukturieren eines leitfähigen Materials hergestellt.

Bei großem Aspektverhältnis ( ≤ 1, definiert als Quotient aus Tiefe und Durchmesser) des Kontaktlochs ist es schwierig, die leitenden Schichten konform aufzubringen. Sowohl gesputterte als auch durch Aufdampfen hergestellte Schichten weisen oft eine schlechte Kanten- und Bodenbedeckung in den Kontaktlöchern auf, was u. a. folgenden Problemen führt:

  • - hohe elektrische Widerstände der Kontaktlöcher durch geringe Schichtdicke des leitenden Materials an der Kontaktlochwand
  • - aus demselben Grund hohe Stromdichten, die zu Ausfällen nach längerer Belastungszeit führen können (sogenannte Elektromigration)
  • - eine problematische Topographie über den Kontaktlöchern; das Loch wird nicht gefüllt, sondern es bildet sich ein flaschenförmiger Hohlraum (sog. Lunker), der oben offen oder geschlossen sein kann und die Zuverlässigkeit der Schaltung verringert.


Nach der Strukturierung der zweiten Verdrahtungsebene wird eine planarisierende zweite isolierende Schicht aufgebracht. Dabei können offene Lunker kaum gefüllt werden, ohne daß wieder ein Hohlraum entsteht. Bleibt dagegen ein oben offener Hohlraum nach dem Aufbringen der zweiten isolierenden Schicht zurück, so führt dies zu Problemen bei der Abscheidung und Strukturierung der nächsten Verdrahtungsebene.

Zur Planarisierung von Schichten und Auffüllung von Kontaktlöchern mit einem leitfähigen Material sind u. a. folgende Verfahren bekannt:

  • - Aufschmelzen des leitenden Materials nach dem Sputtern, beispielsweise durch einen Laserstrahl (s. B. Boeck et al., Proceedings of VLSI Multilevel Interconnection Conference 1990, S. 90 ff.)
  • - Aufbringen des leitenden Materials mittels eines CVD- Verfahrens, welches eine Abscheidung mit erhöhter Konformität ermöglicht (s. W.V.C. Lai et al., L.F.T. Kwakman et al. in "Tungsten and other Advanced Metals for VLSI Applications" 1990, S. 169 ff.).
  • - Ist dieses Material als Leitbahnmaterial ungeeignet, so wird es nach der Abscheidung zurückgeätzt, so daß es nur im Kontaktloch in Form eines Kontaktpfeilers verbleibt (Kontaktlochauffüllung). Oft wird hierfür Wolfram eingesetzt. Anschließend wird dann das Leitbahnmaterial auf die so planarisierte Oberfläche aufgebracht (s. hierzu T.E. Clarc et al., Proceedings of VLSI Multilevel Interconnection Conference 1990, T.E. Clarc et al., S. 478 ff.).


Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zur Planarisierung von Schichten auf einem Halbleitersubstrat anzugeben. Es soll insbesondere zur Planarisierung von leitenden Schichten und zur Auffüllung von Kontaktlöchern geeignet sein. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein mechanischer Druck auf alle Teile der Oberfläche der zu planarisierenden Schicht mittels eines Druckkörpers ausgeübt wird, sowie durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11.

Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung ist anwendbar bei allen Schichten, die aus einem unter Druck verformbaren Material bestehen. Beispielsweise wird als Leitbahnmaterial meist Aluminium verwendet, welches relativ weich und leicht verformbar ist. Dasselbe gilt für andere Leitbahnmaterialien wie Kupfer oder Gold.

Die Erfindung beruht darauf, die zu planarisierende Schicht nach ihrem Aufbringen durch Kalt- oder Warmverformung mittels eines Druckkörpers zu glätten und bei dem oben erläuterten Beispiel in die Kontaktlöcher zu drücken.

Dabei kann der Druck gleichzeitig oder nacheinander auf verschiedene Teile der Oberfläche der zu planarisierenden Schicht ausgeübt werden; entsprechend müssen die Ausmaße des Druckkörpers in Relation zur Oberfläche gewählt werden.

In einer Ausführungsform geschieht dies dadurch, daß als Druckkörper eine Kugel auf der Schichtoberfläche mit einem gewissen Anpreßdruck (typisch einige Kilopond) entlanggerollt wird, und zwar auf einer Bahn, die die Planarisierung der gesamten Oberfläche sicherstellt. Auf der waagerechten Oberfläche der Schicht übt die Kugel einen Druck aus, während im Innern des Kontaktlochs kein Druck auf die Metalloberfläche wirkt. Das Schichtmaterial fließt, so daß sich das Kontaktloch schließt.

Der Druck kann auch mittels eines anderen Druckkörpers als einer Kugel ausgeübt werden. Beispielsweise kann statt der Kugel eine Walze verwendet werden, und es kann eine Membran zwischen die Oberfläche der zu planarisierenden Schicht und den Druckkörper gebracht werden. Eine Membran wird insbesondere dann eingesetzt, wenn als Druckkörper eine unter Druck stehende Flüssigkeit (etwa 1000 atm) verwendet wird, wobei die horizontalen Ausmaße der Flüssigkeitssäule in etwa der zu planarisierenden Oberfläche entsprechen.

Die Membran muß dabei so fest sein, daß sie nicht in den Hohlraum des Kontaktloches gedrückt wird und nur auf waagerechten Oberflächen Druck auf die zu planarisierende Schicht ausgeübt wird. Auf der anderen Seite muß die Membran sich der sonstigen Topographie des Untergrunds anpassen. Eine Kunststoffolie, insbesondere aus Teflon von geringer Dicke, ist geeignet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfinderischen Verfahrens in schematischer Darstellung,

Fig. 2 und 3 einen Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat vor und nach Durchführung des erfinderischen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Halbleitersubstrat 1 ruht auf einer Halteeinrichtung 2, welche bezüglich einer Grundplatte 3 der gesamten Anordnung beispielsweise durch Schrittmotore (nicht dargestellt) horizontal verschoben werden kann. Als Halteeinrichtung 2 findet insbesondere ein sogenannter x-y-Tisch Verwendung. Der Halteeinrichtung 2 gegenüber ist eine Andruckplatte 4 angeordnet, welche in einer Führung 5 so gelagert ist, daß sie nur vertikale Bewegungen ausführen kann. Zwischen der Halteeinrichtung 2 und der Andruckplatte 4 befindet sich eine Kugel 6 als Druckkörper, beispielsweise eine Kugellagerkugel von etwa 5 mm Durchmesser.

Mit einem einstellbaren Druck, beispielsweise vermittels eines Gewichtes 7, wird die Andruckplatte 4 über die Kugel 6 gegen die Haltevorrichtung 2 bzw. das Halbleitersubstrat 1 gedrückt. Andruckplatte 4, Führung 5 und Gewicht 7 bilden zusammen eine Ausdruckeinrichtung.

Die gesamte Anordnung befindet sich in einer evakuierbaren Kammer 8, die durch die Grundplatte 3 und eine Haube 9 gebildet wird.

In der Ruheposition liegt die Kugel 6 in einer Vertiefung 10 des Tisches 2. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach Einlegen des Halbleitersubstrats 1 und Evakuieren der Kammer 8 die Kugel 6 durch Verfahren des Tisches 2 aus der Ruheposition über den Substratrand auf das Halbleitersubstrat 1 gerollt. Rollt die Kugel über das Halbleitersubstrat, so hinterläßt sie eine planarisierte Spur einer gewissen Breite. Die Bewegung des Tisches 2 erfolgt so, daß jeder Punkt der Oberfläche der zu planarisierenden Schicht mindestens einmal von dieser Spur überdeckt wird, die gesamte Oberfläche also planarisiert wird. Die Spur kann beispielsweise spiralförmig oder als Linienraster über das Halbleitersubstrat verlaufen. Die Spurbreite wird im wesentlichen durch den eingestellten Druck und die Verformbarkeit der zu planarisierenden Schicht bestimmt. Wenn die gesamte zu planarisierende Oberfläche von der Spur überdeckt ist, wird die Kugel 6 über den Substratrand in die Ruheposition 10 zurückgefahren und das Halbleitersubstrat entnommen.

Fig. 2: Auf dem Halbleitersubstrat 1 sind wie eingangs erläutert eine erste Verdrahtungsebene 12, eine erste isolierende Schicht 13 und ein leitfähiges Material 14 für eine zweite Verdrahtungsebene, das über ein Kontaktloch 15 an die erste Verdrahtungsebene 12 angeschlossen wird, angeordnet. Selbstverständlich können vor Aufbringen der unteren Verdrahtungsebene beliebige Verfahrensschritte zur Herstellung integrierter Schaltungen vorgenommen worden sein, so daß zwischen dem Halbleitersubstrat 1 und der unteren Verdrahtungsebene 12 bzw. der isolierenden Schicht 13 weitere Schichten angeordnet sein können. Das leitfähige Material 14, welches vorzugsweise noch nicht strukturiert ist, füllt dabei das Kontaktloch 15 nur unvollständig auf und stellt in diesem Beispiel die zu planarisierende Schicht dar.

Fig. 3: Nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Kontaktloch 15 vollständig mit dem leitfähigen Material 14 aufgefüllt, die Oberfläche 16 des leitfähigen Materials 14 ist planarisiert.

In weiteren Ausführungsformen ist vorgesehen, das Halbleitersubstrat 1 vor bzw. während des Planarisierungsverfahrens auf eine bestimmte, u. a. von der zu planarisierenden Schicht abhängige Temperatur aufzuheizen. Ferner können je nach Material Nachbehandlungsschritte, z. B. eine Temperung zur Wiederherstellung eines veränderten oder gestörten Kristallgefüges, vorteilhaft sein.

In der Umgebung eines Kontaktlochs kann die zu planarisierende Schicht 14 nach der Planarisierung etwas dünner sein, ebenso an hochliegenden Stellen der Topographie. Es ist daher vorteilhaft, wenn die Schichtdicke darauf abgestimmt wird und/oder der Untergrund 13 in geeigneter Weise mit einem dem Fachmann geläufigen Verfahren vorher eingeebnet wird.

Schließlich ist zu beachten, daß im Untergrund 13 Risse entstehen können, wenn weiter darunterliegende Verdrahtungsebenen 12 aus einem weichen Material bestehen und große Bahnbreiten aufweisen. Der Fachmann weiß, wie dies durch Anpassung der Entwurfsregeln, vor allem Einschränkung der maximal erlaubten Bahnbreite, verhindert werden kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Planarisierung einer Schicht (14) auf einem Halbleitersubstrat (1), dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanischer Druck auf alle Teile der Oberfläche (16) der zu planarisierenden Schicht (14) mittels eines Druckkörpers (6) ausgeübt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckkörper (6) mit in etwa der Oberfläche (16) entsprechenden Ausmaßen eingesetzt wird und der mechanische Druck gleichzeitig auf die gesamte Oberfläche (16) ausgeübt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckkörper (6) eine Flüssigkeitssäule verwendet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckkörper (6) mit kleineren Ausmaßen als die Oberfläche (16) eingesetzt wird und der mechanische Druck nacheinander auf verschiedene Teile der Oberfläche (16) ausgeübt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckkörper (6) eine Kugel verwendet wird, die auf einer die gesamte Oberfläche (16) bedeckenden Bahn über die Oberfläche (16) gerollt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Druckkörper (6) und die Oberfläche (16) eine Membran gebracht wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als zu planarisierende Schicht (14) eine unstrukturierte leitende Schicht auf einen strukturierten Untergrund (13) eingesetzt wird.
  8. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einer gegenüber Raumtemperatur erhöhten Temperatur durchgeführt wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Durchführung in einer Vakuumkammer (8).
  10. 10. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Nachbehandlungsschritt.
  11. 11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit
    1. - einer Halteeinrichtung (2) für das Halbleitersubstrat (1),
    2. - einer Andruckeinrichtung (4, 5, 7)
    3. - einem Druckkörper (6), der durch die Andruckeinrichtung (4, 5, 7) mit einstellbarem Druck gegen das Halbleitersubstrat (1) gedrückt wird.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine evakuierbare Kammer (8), in der sich die Halteeinrichtung (2), die Andruckeinrichtung (4) und der Druckkörper (6) befinden.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung (2) horizontal gegen den Druckkörper (6) und/oder die Andruckeinrichtung (4, 5, 7) verschiebbar ist und der Druckkörper (6) kleinere horizontale Ausmaße aufweist als die Oberfläche (16) der zu planarisierenden Schicht (14).
  14. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch eine Membran zwischen dem Druckkörper (6) und dem Halbleitersubstrat (1).






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com