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Dokumentenidentifikation DE4319089A1 15.12.1994
Titel Verfahren zur Wolfram-Kontaktlochauffüllung durch ganzflächige Wolfram-Abscheidung mit reduzierter Schichtdicke und Rückätzung mit inversem Loading-Effekt
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Körner, Heinrich, Dipl.-Chem. Dr., 8206 Bruckmühl, DE;
Seidel, Uwe, 8000 München, DE;
Braun, Rainer, 8000 München, DE
DE-Anmeldedatum 08.06.1993
DE-Aktenzeichen 4319089
Offenlegungstag 15.12.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.12.1994
IPC-Hauptklasse H01L 21/90
IPC-Nebenklasse H01L 23/522   C23F 4/00   H01L 21/467   
Zusammenfassung Verfahren zur Wolfram-Kontaktlochauffüllung durch ganzflächige Wolfram-Abscheidung mit reduzierter Schichtdicke und Rückätzung mit inversem Loading-Effekt.
Mittels einer Kühlung wird die tatsächliche Wafer-Temperatur während des Ätzprozesses unterhalb 70°C gehalten und die Ätzrate im Kontaktloch ist kleiner oder gleich derjenigen auf der Substratoberfläche.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wolfram-Kontaktlochauffüllung bei der Herstellung hochintegrierter Schaltungen, bei dem ganz flächig auf der im wesentlichen horizontalen Substratoberfläche eines Wafers sowie in den Kontaktlöchern Wolfram chemisch aus der Gasphase abgeschieden und nachfolgend von der Substratoberfläche in einem Trockenätzprozeß wieder entfernt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus einen Artikel von J. Berthold und C. Wieczorek, Applied Surface Science 38 (1989), Seiten 506-516, bekannt.

In Mikroelektronikbausteinen sind die verschiedenen leitenden Schichten (dotiertes Si-Substrat, poly-Si, Metallbahnen) durch Isolatoren (z. B. SiO&sub2;) voneinander getrennt. Um funktionsfähige Schaltungen zu erhalten, müssen die einzelnen leitenden Schichten an geeigneten Stellen untereinander kontaktiert werden. In der Regel werden hierzu in die Isolatoren Löcher (Kontaktlöcher bzw. Vias) geätzt, in die dann ebenfalls leitendes Material eingebracht wird. In der sub-µm Technologie hat sich als geeignetes Verfahren die Auffüllung dieser Löcher mit chemisch aus der Gasphase abgeschiedenem Wolfram (CVD-W) durchgesetzt. Die bekannte Vorgehensweise besteht zunächst in der Abscheidung einer CVD-W Schicht aus Wolframhexafluorid WF&sub6; und H&sub2; oder SiH&sub4;. Diese Schicht wird auf eine TiN- oder TiW-Unterlage (Haftschicht, Barriere) abgeschieden und wächst auf der gesamten Substratoberfläche sowie dem Lochboden und den Lochseitenwänden auf, bis im Falle des Letztgenannten die Schicht zusammenwächst. In einem nachfolgenden Schritt ("Rückätzung") wird die zuvor auf der horizontalen Substratoberfläche abgeschiedene leitende Schicht wieder vollständig entfernt, so daß im Idealfall die mit leitendem Material komplett aufgefüllten Kontaktlöcher oder Vias zurückbleiben. Der Rückätzschritt wird typischerweise in einem F- und/oder Cl-haltigen Plasma ausgeführt.

Mit dem bekannten Verfahren wird nicht nur eine Auffüllung der Kontaktlöcher oder Vias mit leitendem Material angestrebt, sondern auch eine weitestgehende lokale Planarisierung (Einebnung in der unmittelbaren Umgebung des Kontaktloches) auf der gesamten Substratoberfläche, wodurch die Anforderungen z. B. an die Abbildungstreue nachfolgend aufgebrachter Schichten in diesem Bereich reduziert werden. Dadurch wird im Idealfall auch die Strombelastbarkeit der anschließend aufgebrachten Metallbahnen (in der Regel PVD- Al-Legierungen) erhöht, die sonst bei fehlender Auffüllung aufgrund des für ihre Abscheidung gewählten physikalischen Verfahrens (physical vapour deposition, PVD) in den beschriebenen engen und tiefen Strukturen einen stetig abnehmenden Bedeckungsgrad und damit eine verminderte Zuverlässigkeit aufweisen würden. Der Zuverlässigkeitsgewinn bei der Al-Metallisierung ist dann am höchsten, wenn das Loch bis zur Oberkante mit W gefüllt ist bzw. wenn zumindest keine tiefen, rechtwinkligen Kanten durch PVD-Al bedeckt werden müssen.

Eine wichtige Anforderung an den Rückätzprozeß des bekannten Verfahrens ist weiterhin, daß das leitende Material vollständig von der Substratoberfläche entfernt wird, um Kurzschlüsse zwischen nachfolgend erzeugten Bahnen zu vermeiden. Um dies auch auf Substraten mit Topologie (Höhenunterschieden) zu erreichen, muß der Rückätzschritt in einer Überätzphase über die idealerweise notwendige Mindestzeit hinaus verlängert werden. In der Praxis beträgt die Überätzzeit, je nach Topologie, zwischen 10% und 30% der bis zum ersten Freilegen der Oberfläche notwendigen Zeitspanne.

Als besonders schwierig erweist es sich, die beiden Anforderungen "möglichst vollständige Auffüllung" und "vollkommenes Entfernen der leitenden Schicht von der horizontalen Oberfläche" gleichzeitig zu erfüllen. Ursache hierfür ist das Auftreten eines "Loading-Effektes". Hierunter versteht man die Zunahme der W-Ätzrate im Loch, wenn die Oberfläche zunehmend W-frei wird, bezogen auf die zuvor auf der vollständig W-beschichteten Oberfläche festgestellten W-Ätzrate unter sonst gleichen experimentellen Bedingungen. Dabei wurden Beschleunigungseffekte bis zu einem Faktor 6 festgestellt.

Im obengenannten Artikel wird die beobachtete Ätzratenbeschleunigung im Loch interpretiert mit dem Konzentrationsanstieg reaktiver Ätzradikale über dem Substrat, wenn der überwiegende Anteil der Substratoberfläche zunehmend frei von W wird und deshalb keine Ätzspezies mehr verbraucht. Um den Loading-Effekt zu unterdrücken, wurde dort das Ätzen bei Drücken < 5 Millitorr vorgeschlagen, um die Radikalkonzentration bewußt niedrig zu halten und den Ätzabtrag überwiegend durch anisotropen Ionenbeschuß zu erreichen. Die im Abschnitt 2 des genannten Artikels vorgesehene Kühlung der Wafer-Halterung ("Pedestal") dient nur dazu, Beschädigungen des Wafers bzw. Beeinträchtigungen des Prozesses, die bei Erwärmung durch die Energie der Ätzionen ab spätestens 100°C auftreten, zu vermeiden. Diese indirekte und unkontrollierte Kühlung des Wafers ist, wie aus Abschnitt 5, Fig. 4, hervorgeht, nicht geeignet, die unterhalb des "Top of oxide", also im Kontaktloch, auftretende Zunahme der Ätzrate zu verhindern. Bekannt zur Unterdrückung des Loading-Effekt ist außerdem der Zusatz von Cl&sub2; oder Chlor-Fluor-Kohlenwasserstoffen zum sonst überwiegend fluorhaltigen Ätzmedium, oder der Einbau zusätzlicher "Bufferschichten" wie z. B. Siliziumnitrid zwischen Si-Oxid und W, die selbst geätzt werden oder Ätzradikale binden. Mit diesen Ansätzen aber konnte allenfalls eine Reduzierung des Loading-Effektes auf Faktoren zwischen 1 und 2 erreicht werden, wobei jedoch eine zunehmende Verteuerung und Verkomplizierung des Fertigungsablaufes resultiert.

Selbst wenn W-Ätzraten im Loch erreicht werden, die nur unwesentlich höher als auf der horizontalen Fläche sind (1 < Loading Effekt < 1,5), müßten Maßnahmen ergriffen werden, die den beschriebenen Fertigungsschritt verteuern und verkomplizieren. Dementsprechend ist aus dem obigen Artikel bekannt, die W-Schicht im vorgelagerten CVD-Schritt zunächst so dick abzuscheiden, daß sie auch über den Kontaktlöchern vollkommen eingeebnet ist. Die hierfür mindestens notwendige Schichtdicke wurde mit 70% des Lochdurchmessers ermittelt, sie ist somit deutlich dicker als der theoretische Wert von 50% des Lochdurchmessers, der zum Auffüllen des Loches genügen sollte. Die vollkommene Einebnung verhindert das rasche Aufätzen der sonst entstehenden Einbuchtung in der W- Schicht über dem Loch und das Aufätzen des "Saums" zwischen beiden Schichthälften, was aufgrund des Loading-Effektes erfolgen würde und dann zu einem schnellen "Leerätzen" der Metallfüllung im Loch führen würde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber den genannten Nachteilen verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das also insbesondere den Loading-Effekt unterdrückt und die mit ihm verbundenen wirtschaftlich nachteiligen bzw. komplexen Prozeßanpassungen vermeidet.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß mittels einer Kühlung die tatsächliche Wafer-Temperatur während des Ätzprozesses unterhalb 70°C gehalten wird und die Ätzrate im Kontaktloch kleiner oder gleich derjenigen auf der Substratoberfläche ist.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren der Zeichnung näher erläutert.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der zuvor beschriebene Loading-Effekt überraschenderweise nicht nur vollkommen vermieden, sondern es tritt sogar ein inverser Loading-Effekt auf, bei dem die Ätzrate im Loch deutlich kleiner als auf der freien Fläche ist. Überraschenderweise wird dadurch ein W-plug-Verfahren ermöglicht, bei dem die W-Schicht über dem Loch nicht mehr vollkommen eben sein muß. Vielmehr kommt es mit der theoretisch ausreichenden Dicke von 50% des Lochdurchmessers aus, ohne Einbußen bei der Zuverlässigkeit der nachfolgenden Metallisierung und Planarisierung hinnehmen zu müssen. Experimentelle Ergebnisse, die unerwarteterweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wurden, zeigen z. B. nach einer Ätzphase, die einen W-Abtrag aus dem Loch von 400 nm erwarten ließ (bei Annahme: Ätzrate im Loch = Ätzrate auf freier Fläche) nur einen Abtrag von ca. 300 nm in der Lochmitte bzw. von ca. 125 nm am Rand des Loches. Dies entspricht einem Loading-Effekt von deutlich kleiner als eins.

Der Einfluß der Temperatur auf den Loading-Effekt ist insofern unerwartet und überraschend, als eigene, zuvor durchgeführt und in Fig. 1 dargestellte Experimente erkennen ließen, daß die Ätzrate auf horizontalen Flächen durch Temperaturvariationen zwischen 15 und 60°C praktisch nicht beeinflußt wird. Selbst wenn man trotzdem einen Zusammenhang zwischen Loading-Effekt und Temperatur erwarten würde, würde man bestenfalls Ätzratengleicheit zwischen Loch und freier Fläche erwarten und keinesfalls ein langsameres Ätzen im Loch.

Typische Prozeßparameter für MERIE-(magnetically enhanced reactive ion etching) Ätzen von Wolfram mit inversem Loading-Effekt sind:



Der erfindungsgemäße Prozeß zeichnet sich weiterhin durch folgende vorteilhafte Eigenschaften aus:

Eine vollständige Planarisierung der W-Schicht über dem KL ist nicht mehr notwendig, vielmehr sind reduzierte Wolfram- Dicken entsprechend dem theoretischen Wert von 50% des Kontaktloch-Durchmessers vollkommend ausreichend, wodurch der Prozeß wesentlich wirtschaftlicher wird. Das Profil der nicht planarisierten W-Schicht weist üblicherweise eine deutliche Einsenkung über dem Kontaktloch auf. Dieses Ausgangsprofil der W-Schicht wird durch das Fehlen eines Loading-Effekts direkt in das Profil des W-"Stöpsels" nach der Rückätzung übertragen. Insbesondere ist der Höhenunterschied zwischen Oxid- und W-Oberkante nach der Rückätzung ("W- Rezess<) einer solchen dünnen Schicht am Kontaktloch-Rand wesentlich geringer als nach Rückätzung einer dickeren, zuvor vollkommen planarisierten W-Schicht. Diese Situation nach den einzelnen Prozeßschritten W-Abscheidung, W-Rückätzung und Abscheidung der PVD-Al-Legierung ist für zwei unterschiedliche Schichtdicken (55% bzw. 80% des Kontaktloch-Durchmessers) in Fig. 2 a) bzw. b) dargestellt. Man erkennt, daß selbst bei der Rückätzung der unvollkommen planarisierten W-Schicht (55% Kontaktloch-Durchmessers) kein Loading-Effekt auftritt. Wegen des geringeren Niveauunterschieds zwischen W- und Oxidoberkante, der aufgrund des fehlenden Loading-Effekts und der deswegen jetzt möglichen verringerten W-Dicke resultiert, zeigt die nachfolgend aufgesputterte Al-Legierung eine wesentlich bessere Abbildungstreue und ein günstigeres Profil, wie es auch durch eine Computersimulation vorhergesagt wurde und wie es der Zuverlässigkeit der Metallisierung förderlich ist.

Das Verfahren ist uneingeschränkt kombinierbar mit dem Ziel, den Wolfram-Rückätzprozeß selektiv zur HiN-Haftschicht zu führen, so daß diese in nahezu ursprünglicher Dicke zurückbleibt und unmittelbar als Haftschicht für die nachfolgend aufzubringende PVD-Al-Legierung verwendet werden kann. TiN- Abträge von weniger als 10% der TiN-Ausgangsdicke sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren selbst bei einer Überätzphase von 30% sicher zu erreichen.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Wolfram-Kontaktlochauffüllung bei der Herstellung hochintegrierter Schaltungen, bei dem ganz flächig auf der im wesentlichen horizontalen Substratoberfläche eines Wafers sowie in den Kontaktlöchern Wolfram chemisch aus der Gasphase abgeschieden und nachfolgend von der Substratoberfläche in einem Trockenätzprozeß wieder entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Kühlung die tatsächliche Wafer-Temperatur während des Ätzprozesses unterhalb 70°C gehalten wird und die Ätzrate im Kontaktloch kleiner oder gleich derjenigen auf der Substratoberfläche ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die tatsächliche Wafer-Temperatur unterhalb 40°C gehalten wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Ätzgas eine Mischung aus SF&sub6; oder alternativ CF&sub4;, CHF&sub3;, C&sub2;F&sub6; und einem oder mehreren der Inertgase He, Ar, N&sub2; verwendet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem zusätzlich Sauerstoff beigemischt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Parameter Gesamtdruck und Gesamtgasfluß so eingestellt werden, daß die Ätzreaktion im Regime der transport- oder diffusionskontrollierten Kinetik abläuft.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem gegenüber Ätzradikalen inaktive Materialien, insbesondere Aluminium oder Keramik, zur Gestaltung der inneren Oberflächen der Ätzkammer verwendet werden.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zur Waferkühlung eine dynamische oder eine statische Kühlung mit Helium-Rückseitengas verwendet wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Kontaktloch-Auffüllung durch Abscheidung der Mindestschichtdicke der Wolfram-Schicht von 50% des Kontaktloch-Durchmessers erfolgt.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Wolfram-Schicht auf eine TiN- oder TiW-Unterlage abgeschieden wird und die anschließende Rückätzung selektiv zu dieser Unterlage erfolgt.






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