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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Füllen
eines Durchgangs oder einer Ausnehmung in einem Halbleitersubstrat
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Als die Hersteller darüber nachdachten,
bei Halbleitervorrichtungen Aluminium durch Kupfer zu ersetzten,
um den Leitungswiderstand zu reduzieren, ergab sich u. a. das Problem,
dass es schwierig ist, Kupfer anisotropisch zu ätzen. Anders als Aluminium bildet
Kupfer nicht einfach leicht flüchtige
Chloride aus und kann daher, außer
bei hohen Temperaturen, nicht mittels Plasma geätzt werden. Diese höheren Temperaturen
führen
jedoch zu Problemen, welche eine derart praktische Bedeutung haben,
dass Plasmaätzen
von Kupfer in Zusammenhang mit Halbleitervorrichtungen als unakzeptabel
betrachtet wurde. Der allgemeine Ansatz war daher, Damaszierprozesse
zu übernehmen,
wobei eine derartige Ver- bzw. Bearbeitung chemisch mechanisches
Polieren (CMP – chemical
mechanical polishing) und die damit zusammenhängenden Reinigungsprozesse
erfordert. Obwohl CMP, ähnlich
wie das Polieren von Glaslinsen, ein einfaches Konzept ist, weist
es in der Praxis viele Schwierigkeiten auf.
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Ein weiteres Problem mit Damaszierprozessen
ist, dass dieser das vollständige
Füllen
von Gräben
und Durchgängen
mit dem leitenden Werkstoff erfordert. Linienbreiten nehmen jedoch
ab, während die
Dicke der Isolationsschicht allgemein gleich bleibt, was dazu führt, dass
das Geometrieverhältnis der
Durchgänge
und Ausnehmungen extrem hoch wird. Aus Gründen, die im Stand der Technik
wohl bekannt sind, ist der Prozess des Sputterns in Verbindung mit
derartigen Merkmalen aufgrund von "Einschnürung" problematisch, was den Aufbau von Werkstoff
an der Öffnung
der Ausnehmung oder dem Durchgang bezeichnet, wodurch die Ausnehmung selbst
blockiert wird. Dies tritt deshalb auf, weil Sputterprozesse nicht
anisotropisch sind. Während
dieses Problem mittels Werkstoffen mit relativ niedrigem Schmelzpunkt überwunden
werden kann, ergeben sich erhebliche Probleme mit Kupfer, aufgrund
dessen sehr viel höheren
Schmelzpunkts, was erhöhte Temperaturen
für lange
Zeiträume
erfordert, wodurch derartige Prozesse nur noch von akademischen
Wert sind. Es wurden verschiedene Anläufe unternommen, um die Schwierigkeit
zu überwinden,
einschließlich
der Verwendung von thermischen Pulsen, beispielsweise von Lasern,
aber keiner ist in weit verbreiteter kommerzieller Anwendung. Versuche
um extrem reines Kupfer zu erhalten, welches bei relativ niedrigen
Temperaturen fließt,
sind theoretisch möglich,
aber es ist bewiesen, dass dies ein extrem langsamer Prozess und
ebenfalls nicht kommerziell brauchbar ist. Daher wurde das Galvanisieren
mit Kupfer zum Industriestandard. Dies ist, wie CMP, ein extrem
einfaches Konzept, welches in der Praxis viele Schwierigkeiten bereitet.
Zusätzlich
müssen
für das
Funktionieren des Prozesses des Elektrogalvanisierens mit Kupfer
Barriereschichten und eine kontinuierliche dünne Metallschicht vorhanden
sein. Dies bedeutet häufig,
dass zum vervollständigen
des Prozesses sowohl Sputtern als auch Elektrogalvanisieren notwendig
ist. Ferner bereiten sowohl CMP als auch Galvanisieren Probleme
bezüglich
der Beseitigung von flüssigen
Abfällen.
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Die Erfindung umfasst ein Verfahren
zum Füllen
eines Durchgangs oder einer Ausnehmung in einem Halbleitersubstrat,
folgendes umfassend:
- (i) Ablagern oder Ausbilden
einer Opferschicht (welche die Photoresistente sein kann, welche zum
Maskieren der dielektrischen Schicht dient) auf einer dielektrischen
Funktionsschicht;
- (ii) Ätzen
eines Durchgangs oder einer Ausnehmung durch die Opferschicht und
Funktionsschicht;
- (iii) falls notwendig, wird eine (werden) geeignete dielektrische
metallische Diffusionsbarriereschicht(en) zwischen der dielektrischen
Schicht und dem leitenden Metall mittels geeigneter Mittel, wie
beispielsweise CVD (chemical vapor deposition) oder PVD (physical
vapor deposition), abgelagert;
- (iv) Ablagern von Metallen) auf das Substrat, beispielsweise
mittels "long-throw" (großer Entfernung
zwischen Target und Substrat) oder ionisierter physikalischer Gasphasenabscheidung
(PVD – physical
vapor deposition);
- (v) Abheben oder Abwaschen des auf der Oberfläche der
Opferschicht abgelagerten Metalls;
- (vi) Wiederholen der Schritte (iv) und (v), bis die Durchgänge oder
Ausnehmungen zumindest mit Metall gefüllt sind; und
- (vii) Entfernen von Rückständen der
Opferschicht und überschüssigem Metall.
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Es ist bevorzugt, dass das Verfahren
zum Ablagern von leitenden Metallen) im Wesentlichen anisotrop ist.
Beispielsweise kann eine Sputtervorrichtung mit großer Entfernung
zwischen Target und Substrat ("long
throw sputter apparatus")
und zusätzlich
oder alternativ ionisierte und/oder kollimierte physikalische Gasphasenabscheidung
(PVD) verwendet werden. Tatsächlich
ist jeder kollimierte (parallel gerichtete) Ablagerungsprozess geeignet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
wird an den Kanten der Opferschicht, welche einen Teil des Durchgangs
ausbilden, eine Ausnehmung profiliert, um eine Metallablagerung
an diesen Kanten zu reduzieren. Beispielsweise sind die Kanten wenigstens
teilweise hinterschnitten, beispielsweise mittels Anfasung der Kanten
durch Ausbilden einer Nut oder Furche in der Kante. Eine solche
Profilierung ist derart ausgebildet, dass wenigstens für die erste
Ablagerung eine Diskontinuität
zwischen dem Metall in der Ausnehmung oder dem Durchgang und dem
Metall auf der Opferschicht ausgebildet wird.
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Die Opferschicht ist beispielsweise
eine dielektrische dünne
Schicht mit niedriger dielektrischer Konstante oder die photoresistente
Schicht, welche zum Maskieren der dielektrischen Schicht dient,
und die Opferschicht grenzt zusätzlich
oder alternativ an die dielektrische Funktionsschicht an.
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Optional wird die Barriereschicht
gemäß Schritt
(iii) vor der Ablagerung des Metalls gemäß Schritt (iv) von der Opferschicht
entfernt.
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Schritt (v) wird bevorzugt unter
Verwendung von Trockenmitteln ausgeführt, beispielsweise wird dieser
Schritt mittels eines CO2-Strahls oder superkritischem
CO2 ausgeführt.
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Schritt (v) wird bevorzugt durch
Momententransfer, Spannungsbrechen oder thermische Spannung ausgeführt. Zusätzlich oder
alternativ werden Lösungsmittel
verwendet.
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Schritt (vii) wird bevorzugt mittels
chemisch mechanischem Polieren (CMP – chemical mechanical polishing)
ausgeführt.
Da jedoch jedes Mal, wenn Schritt (v) ausgeführt wird, das Metall von dem
Bereich des Substrates abgehoben wurde, muss bei der Verwendung
dieses Prozesses nur relativ wenig Metall entfernt werden.
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Obwohl die Erfindung vorstehend definiert wurde,
versteht es sich, dass diese jede erfinderische Kombination von
den oben oder in der nachfolgenden Beschreibung beschriebenen Merkmalen
umfasst.
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Die Erfindung kann auf verschiedene
Weise ausgeführt
werden und es werden nun spezielle Ausführungsformen beispielhaft unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen 1 bis 10 eine Abfolge von Prozessschritten
eines beispielhaften Verfahrens zum Ausbilden und Füllen eines
Durchgangs in einem Halbleitersubstrat schematisch illustrieren.
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1 zeigt
einen Vertikalschnitt durch ein Teilstück eines Substrats, wobei Schicht 1 eine
Metallschicht des Substrats ist, welches zuvor ausgebildet wurde.
Die Metallschicht ist beispielsweise eine Siliziumbasisschicht beziehungsweise
die obere Schicht einer auf der Siliziumbasisschicht ausgebildeten
Struktur. Auf der Schicht 1 ist eine dielektrische Funktionsschicht 2 abgelagert.
Es können
andere wohl bekannte Prozesse ausgeführt werden, wie beispielsweise
Vorreinigen des Metalls, Ablagern einer Barriereschicht, verdeckte
bzw. eingelagerte Ätzstoppschicht
("buried etch stop"), Hartmaskierung und
jeder andere notwendige Prozess sowie in der geeigneter Abfolge
mit den anderen Prozessen, ohne dabei die allgemeine Lehre der vorliegenden Erfindung
zu ändern.
Danach wird, wie aus 2 ersichtlich,
eine dielektrische Opferschicht 3 auf der dielektrischen
Funktionsschicht 2 abgelagert, welche mit der photoresistenten
Schicht 4 in herkömmlicher Weise
maskiert werden kann (vgl. 3).
Die photoresistente Schicht 4 bildet Öffnungen 4a aus, durch die
ein Durchgang 4a geätzt
werden kann, wie aus 4 ersichtlich.
Der Durchgang 4a erstreckt sich abwärts bis zur oberen Fläche der
Schicht 1.
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Die Opferschicht 3 kann
dann unter Verwendung eines isotropisch selektiven Ätzprozesses
eingekerbt werden, wobei dieser Ätzprozesses
derart ausgestaltet ist, dass der Werkstoff der Schicht 3, nicht
jedoch der der anderen Schichten, geätzt wird, um die in 5 dargestellte Nut oder
Furche 3a auszubilden.
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Wie aus 6 ersichtlich, wird anschließend die
photoresistente Schicht 4 entfernt. Es wird dann Metall,
beispielsweise Kupfer, mittels Sputtern abgelagert. Ein Teil des
gesputterten Werkstoffes erreicht den Boden des Durchgangs 4a und
bildet eine Ablagerung 5 aus, während sich wesentlich mehr
als Feldmetall 5a abscheidet. Es ist jedoch zu bemerken, dass
eine Diskontinuität
zwischen dem Feldmetall 5a und dem Durchgangsmetall 5 aufgrund
der Nut oder Furche 3a ausgebildet wird. Dies macht es
möglich, das
Feldmetall 5a von dem Substrat abzuwaschen, so dass man
zu dem in 8 dargestellten
Zustand kommt. Durch Wiederholen des Prozesses sooft, bis das Durchgangsmetall 5 den
Durchgang 4a wenigstens füllt, kann der Durchgang 4a aufgefüllt werden, ohne
dass sich ein wesentlicher Aufbau von Feldmetall 5a ergibt.
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An diesem Punkt versteht es sich,
dass das Wiederholen des Prozesses die Opferschicht 3 bis
zu einem gewissen Grad verschlechtert und die Nut oder Kerbe 3a ist
weniger gut ausgebildet, aber das Vorsehen der Opferschicht, egal
ob mit Nuten versehen oder nicht, bewirkt eine geringe bis keine
Ablagerung von Metall zwi zwischen dem Feldmetall 5a und dem
Durchgangsmetall 5, was ein effektives Abwaschen des Feldmetalls 5a ermöglicht,
bis das Metall 5 bis oben zur Höhe der Opferschicht 3 reicht.
Der abschließende
Ablagerungsschritt muss daher ggf. etwas länger durchgeführt werden
als normalerweise notwendig, damit der Zustand gemäß 9 erreicht wird, bei dem
der Durchgang 4a mehr als gefüllt ist. Dieser Ansatz überwindet
jegliche mangelnde Ungleichförmigkeit
beim Sputterprozess und stellt sicher, dass alle Durchgänge 4a gefüllt werden.
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Sobald der Zustand gemäß 9 erreicht ist, kann die
Ablagerung beendet und das Feldmetall 5a sowie die Opferschicht 3 mittels
chemisch mechanischem Polieren (CMP – chemical mechanical polishing)
oder jedem anderen geeigneten Verfahren entfernt werden, um einen
wie in 10 dargestellten
gefüllten
Durchgang zurück
zu lassen. Durch Verwendung einer geeigneten Dicke der Opferschicht und
relativer Höhe
der Ausnehmung ist es möglich, eine
vollständige
Füllung
des Durchgangs und Diskontinuität
mit dem Feldmetall zu erreichen, was ein Abwaschen des Feldmetalls
und die Anwendung von wenig oder keinem CMP erlaubt.
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Der Schritt des Abwaschens ist vorzugsweise
ein trockner, beispielsweise die Verwendung von CO2-Strahlen
oder geeignetem superkritischem CO2. Alternativ
können
nasse Chemikalien verwendet werden. Die zum Entfernen verwendeten
Mittel umfassen beispielsweise Momententransfer, Abwaschen, Spannungsbrechen,
thermische Spannung oder Auflösen
der Unterschicht unmittelbar unter dem Metall in den Feldbereichen.
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Die Opferschicht kann eine dünne Schicht mit
niedriger Dielektrizitätskonstante
sein, die mit dem Substrat und dessen Bearbeitungsprozessen kompatibel
ist. Sie wird als separate Schicht oder angrenzend an die obere
Schicht der dielektrischen Funktionsschicht abgelagert.
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Es ist bevorzugt, dass das Verfahren
in einer einzigen Vorrichtung unter Kontrolle durch dasselbe gespeicherte
Computerprogramm ausgeführt
wird. Es wäre
jedoch in analoger Weise möglich,
die Erfindung in getrennten Sputter- und Ätzkammern auszuführen, wobei
eine Überwachungskammer
vorgesehen sein könnte,
um den Grad der Füllung
des Durchgangs 4a zu bestimmen.
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Es versteht sich, dass harte Masken
für die dielektrischen
Schichten, Barriereschichten, Ätzstoppschichten
usw. verwendet werden können
und deren Verwendung ist wohl bekannt und verstanden. Sie ändern nicht
die allgemeine Verwendung der selektiven Entfernung von Metall von
dem Feld unter Verwendung einer Opferunterschicht und der bevorzugten
Ablagerung von Metall in Ausnehmungen im Feld der Oberfläche eines
Substrates mit elektrischer Funktionalität.
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ZUSAMMENFASSUNG
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(zu veröffentlichen mit 9)
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Füllen
eines Durchgangs oder einer Ausnehmung in einem Halbleitersubstrat,
folgendes umfassend:
- (i) Ablagern oder Ausbilden
einer Opferschicht auf einer dielektrischen Funktionsschicht;
- (ii) Ätzen
eines Durchgangs oder einer Ausnehmung durch die Opferschicht und
Funktionsschicht;
- (iii) Ablagern eines Metalls auf das Substrat mittels:
- (iv) Abheben oder Abwaschen des auf der Oberfläche der
Opferschicht abgelagerten Metalls;
- (v) Wiederholen der Schritte (iii) und (iv), bis die Durchgänge oder
Ausnehmungen zumindest mit Metall gefüllt sind; und
- (vi) Entfernen von Rückständen der
Opferschicht und überschüssigem Metall.