DE19513918C1 - Verfahren zur Beschichtung von sub-Mikrometerstrukturen und seine Anwendung - Google Patents
Verfahren zur Beschichtung von sub-Mikrometerstrukturen und seine AnwendungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von sub-Mikrometerstrukturen,
insbesondere in höchstintegrierten Schaltkreisen. Sie ist einem breiten Anwendungsfeld
insbesondere aber der Mikroelektronik zugänglich. Sie beinhaltet die konforme Abscheidung
von anorganischen Schichten, insbesondere von Metall-, Nitrid- und Oxidschichten, auf
Strukturen in höchstintegrierten elektronischen Schaltkreisen (z. B. Kontaktlöchern, Gräben)
oder auf anderen Substraten, deren Oberfläche ein topographisches Profil mit sehr kleinen
Strukturabmessungen von < 1 µm Breite und < 1 µm Tiefe aufweist. Das erfindungsgemäße
Verfahren erlaubt insbesondere die Abscheidung von metallischen Kontaktschichten, z. B.
Titan, und Diffusionsbarrieren, z. B. Titannitrid, auf die Kontaktfläche in mikroelektronischen
sub-Mikrometerstrukturen mit Aspektverhältnissen von < 1.
Es sind allgemein Verfahren zur Beschichtung mittels Bedampfen bekannt (Pupp/Hart
mann, Vakuumtechnik, Carl Hanser Verlag München und Wien 1991). Diese Verfahren
haben den Nachteil, daß es durch die geradlinige Ausbreitung des Dampfes im
Hochvakuum in der Regel zu starken Abschattungen des Grabenbodens durch die oberen
Kanten kommt. Bei senkrechten Kanten ist eine vollständigen Beschichtung des Bodens in
der Praxis nicht realisierbar. Darüber hinaus eignen sich Aufdampfverfahren nicht für die
Herstellung dichter Schichten, aus hochschmelzenden Verbindungen, insbesondere von
Titannitrid.
Des weiteren sind Verfahren zur Beschichtung mittels chemischer Dampfabscheidung (CVD)
bekannt (z. B. M.J. Buiting, A.F. Otterloo und A.H. Montree, J. Electrochem. Soc. 138, 500
(1991) oder R.M. Fix, R.G. Gordon und D.M. Hoffmann, Chem. Mater 2,235 (1990)).
CDV-Verfahren führen zwar zu sehr guten Kantenbedeckungen, d. h. zu sehr konformen
Beschichtungen, besitzen aber nachteiligerweise starke Einschränkungen hinsichtlich des
Schichtmaterials, da sich für viele Materialien keine geeigneten Prekursoren finden lassen;
metallorganische Prekursoren sind oft sehr giftig; viele Prekursoren sind sehr teuer; der
Prozeß erfordert häufig hohe Temperaturen, die das Substrat schädigen können und für die
Fertigung höchstintegrierter Schaltungen nicht mehr tolerierbar sind. So sind z. B. für die
Abscheidung von Titan und Titannitrid aus Titantetrachlorid Substrattemperaturen von 500-600°C
notwendig. Metallorganische Prekursoren, z. B. Tetrakis(dimethylamido)-titan führen
nicht zu reinen Titannitridschichten, da diese immer mit Kohlenstoff verunreinigt sind.
Darüber hinaus sind Verfahren zur Beschichtung mittels Auf-, Ab- oder Zerstäuben (Sputtern)
bekannt (z. B. EP-A-0 280089 oder S.-C. Cheng, A. Sakamoto, H. Tamura, M. Yoshimaru und
M. Ino, Jpn. J. Appl. Phys. 32, 1929 (1993)). Bei diesen Verfahren ist von Nachteil, daß bei
Gräben und Löchern oder Poren in der Substratoberfläche mit einer sehr geringen Breite von
1 µm oder weniger sowie großem Aspektverhältnis (<1) eine Beschichtung des Bodens
gering bleibt oder überhaupt nicht stattfindet und schließlich der Graben oder das Loch ganz
zuwächst unter Bildung eines abgeschlossenen Hohlraumes, da mit diesen Verfahren
bevorzugt der Graben- oder der Lochrand beschichtet werden.
Schließlich sind noch Verfahren mittels "Collimated Sputtering" bekannt (z. B. Hara,
T. Nomura und S.C. Chen, Japanese J. of Appl. Phys. Vol. 31 (1992), S. L1746)). Die Nachteile
dieses Verfahrens sind analog denen des oben erwähnten Auf-, Ab- oder Zerstäubens
(Sputterns), jedoch quantitativ gemildert. Dafür weist dieses Verfahren weitere Nachteile wie
beispielsweise verminderte Beschichtungsgeschwindigkeit(-rate), Partikelprobleme und
häufiger Wartungsmaßnahmen wegen Schichtabscheidung am Kollimator. Außerdem ist
dieses Verfahren bei Aspektverhältnissen von < 2 nicht mehr einsetzbar.
Außerdem sind verschiedene Verfahren zur Feinstteilchenabscheidung bekannt, bei denen
z. B. ein Metalldampf beim Stoß mit kühleren Gas-Atomen zu kleinen Teilchen kondensiert,
die sich dann auf dem Substrat als Schicht niederschlagen (z. B. GB 2 170 822 A). Da diese
Teilchen jedoch durch die Abkühlung mit einer sehr geringen Energie ausgestattet sind,
verfügen sie bei ihrer Ankunft an der Substratoberfläche nur über eine äußerst geringe
Oberflächenbeweglichkeit und sind daher nicht in der Lage, allseitig innige chemische
Bindungen einzugehen und dichte Schichten zu bilden. Dies wird außerdem durch die
gegebene Partikelgröße verhindert, die entsprechend große Poren entstehen läßt.
Es ist nunmehr Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Beschichtung von sub-Mikro
meterstrukturen vorzuschlagen, mit dem eine konforme Abscheidung dichter Schichten bei
Gräben, Löchern oder Poren von den Kanten über die Ränder bis zum Boden bei homogen
verteilter Schichtdicke und ohne Einschränkungen hinsichtlich des Schichtmaterials möglich
ist, das noch bei einem Aspektverhältnis < 2 einsetzbar ist und mit dem auch Schichten aus
hochschmelzenden Verbindungen, wie z. B. Titannitrid, abscheidbar sind.
Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, wenigstens eine der vielfältigen Anwen
dungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.
Diese Aufgaben werden verfahrensseitig mit einen Verfahren gemäß einem oder mehreren
der Ansprüche von 1 bis 13 und anwendungsseitig gemäß Anspruch 14 gelöst.
Bei diesem Verfahren zur Beschichtung von sub-Mikrometerstrukturen, insbesondere in
höchstintegrierten Schaltkreisen, wird erfindungsgemäß das Schichtmaterial oder eine oder
mehrere Komponenten des Schichtmaterials im Grob- oder Feinvakuum in den gasförmigen
Zustand, beispielsweise mittels Kathodenzerstäubung oder Verdampfung, überführt und mit
einem kräftigen Gasstrom (Transportgasstrom) zum Substrat befördert. Dabei werden
jedoch keine Partikel zur Schichtbildung verwendet, sondern einzelne Atome und Moleküle,
ggf. auch Radikale und Ionen, wie sie z. B. beim Kathodenzerstäuben und Verdampfen
entstehen. Der Prozeß wird so geführt, daß durch eine sehr geringe Konzentration von
Atomen des Schichtmaterials im Inertgasstrom Stöße untereinander nur äußerst selten
stattfinden, so daß sich keine Partikel bilden können. Außerdem wird die Zeit für den Weg
zum Substrat so kurz gewählt, daß bis zur Deposition keine vollständige Thermalisierung
erfolgt. Die praktische Realisierung dieser Bedingungen besteht darin, daß die Atome
unmittelbar nach ihrer Verdampfung/Abstäubung sofort dem Gasstrom ausgesetzt
werden und im gesamten Raum zwischen Verdampfung/Zerstäubung und Niederschlag
kein nennenswerter Druckunterschied besteht. Es handelt sich also physikalisch um die
Niederschlagung eines Dampfes ohne vorherige Kondensation zu Mikro- oder
Nanopartikeln. Insbesondere wird das Gas auch nicht durch lange Rohre oder Düsen
geführt. Dies würde zu einem nahezu vollständigen Materialverlust durch Niederschlagung
an diesen Bauteilen führen. Das Schichtmaterial sollte dabei so auf dem Substrat
abgeschieden werden, daß sehr kleine und vergleichsweise tiefe Vertiefungen, wie sie bei
höchstintegrierten Schaltkreisen üblich sind und die Abmessungen zwischen 0,2 µm bis
10 µm Breite und einer dazu einhalb bis fünffachen Tiefe (d. h. Aspektverhältnisse bis 5,0)
aufweisen können, auf der Substratoberfläche am Boden und - je nach Prozeßführung -
auch an den Seitenwänden vollständig und mit hoher Geschwindigkeit beschichtet werden,
ohne daß Vertiefungen vorzeitig von ihren Rändern her zuwachsen und dabei einen
geschlossenen Hohlraum bilden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn der
Transportgasstrom, der das Schichtmaterial oder eine oder mehrere Komponenten des
Schichtmaterials mit sich führt, senkrecht auf das Substrat trifft und dieses homogen umgibt.
Durch den Gasstrom erhalten die Atome und Ionen des abgestäubten Materials neben ihrer
statistischen thermischen Bewegung zusätzlich eine gerichtete Bewegung, die ein tiefes Ein
dringen in eine schmale Vertiefung in der Substratoberfläche erlaubt. Dies führt zu einer
besonders bevorzugten Beschichtung des Bodens im Loch bzw. im Graben.
Es hat sich günstig erwiesen, wenn der Transportgasstrom ein intensiver Inertgasstrom ist,
wobei als Inertgas vorzugsweise Argon eingesetzt wird, der Prozeßgasdruck im Bereich von
0,1 mbar bis 10 mbar liegt und seine Geschwindigkeit zwischen 10 m/s und 200 m/s
beträgt.
Im Falle einer reaktiven Schichtabscheidung ist es von Vorteil, dem Transportgasstrom
zusätzlich einen Reaktivgasstrom in der Vakuumkammer zuzuführen, der zur Bildung einer
chemischen Verbindung als Schichtmaterial führt. So kann beispielsweise zur Abscheidung
einer Titannitrid- bzw. Siliciumdioxidschicht dem Transportgasstrom, der Titan bzw. Silicium
enthält, Stickstoff oder Sauerstoff als Reaktivgas zusätzlich zugeführt werden. Das
erfindungsgemäße Verfahren sieht beispielhaft mehrere Varianten vor, um das
Schichtmaterial bzw. eine oder mehrere Komponenten des Schichtmaterials in den gas
förmigen Zustand zu überführen. Eine Variante sieht vor, das Schichtmaterial oder eine oder
mehrere Komponenten des Schichtmaterials mittels einer Hohlkathoden-Glimmentladung in
den gasförmigen Zustand zu überführen und mittels des Transportgasstromes durch die
Hohlkathode hindurch zum Substrat zu transportieren. Eine zweite Variante sieht vor, daß
das Schichtmaterial oder eine oder mehrere Komponenten des Schichtmaterials mittels
einer Magnetron-Glimmentladung in den gasförmigen Zustand überführt wird, wobei zwei
Magnetrons mit ihren Targetseiten zueinander gerichtet angeordnet sind und der
Transportgasstrom durch den Zwischenraum zwischen beiden geführt wird.
Eine weitere dritte Verfahrensvariante sieht vor, das Schichtmaterial oder eine oder mehrere
Komponenten des Schichtmaterials durch thermisches Verdampfen in den gasförmigen
Zustand zu überführen, wobei der Transportgasstrom quer durch den vom Ver
dampfungstiegel ausgehenden Dampfstrom geführt wird.
Für die genannten Verfahrensvarianten ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtungsquelle in
Längsrichtung deutlich weiter ausgedehnt ist als in Querrichtung und das oder die Substrate
durch langsame Bewegung quer zur Längsrichtung der Quelle an dieser vorbeigeführt
werden.
Es wurde weiterhin festgestellt, daß die Schichtbildung gezielt durch einen zusätzlichen
Ionenbeschuß der Substratoberfläche mit Ionen, die durch eine geeignete Substratvor
spannung, vorzugsweise eine negative Substratvorspannung (BIAS) von einigen 100 V (je
nach Anwendungsfall 50-1000 V), zum Substrat hin beschleunigt werden, beeinflußt wird.
Diese Ionen können beispielsweise bei der oben genannten ersten und zweiten
Verfahrensvariante aus der für die Kathodenzerstäubung eingesetzten Glimmentladung
gewonnen werden. Mit dieser angelegten Substratvorspannung ist die Einstellung definierter
Schichteigenschaften, wie beispielsweise die erforderliche Stöchiometrie und Härte, was
zum Beispiel bei einer Schicht aus Titannitrid wichtig ist, möglich bzw. die
Substratvorspannung wird dazu eingesetzt.
Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft vorteilhaft zur Beschichtung
von Halbleitersubstraten, die zur Herstellung elektronischer oder optoelektronischer
Bauelemente vorgesehen sind, angewendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß im Gegensatz zu heute
bekannten Auf-, Ab- oder Zerstäubungsverfahren eine konforme Schichtabscheidung
möglich ist. Das Verfahren kombiniert somit die Vorteile von Auf-, Ab- oder
Zerstäubungsverfahren, nämlich die freie Materialauswahl und die Abscheidung reiner
Schichtmaterialien mit dem Vorteil von Chemical Vapor Deposition (CVD)-Verfahren, die
ebenfalls zur konformen Schichtabscheidung führen, aber hinsichtlich des Schichtmaterials
und der Schichtreinheit stark limitiert sind.
Mit diesem Verfahren ist es im Besonderen auch möglich, den Boden, d. h. die Kontaktfläche
zum Silicium im höchstintegrierten Schaltkreis zu beschichten. Dies ist besonders wichtig für
das Kontaktmaterial, z. B. Titan, und die Diffusionsbarriere, z. B. Titannitrid. Außerdem kann
der Graben oder das Loch vollständig mit Schichtmaterial aufgefüllt werden. Es erlaubt auch
bei Gräben oder Poren in der Substratoberfläche mit einer sehr geringen Breite von einem
m oder weniger, sowie großem Aspektverhältnis (<1) den Boden des Grabens oder des
Loches und die Seitenwände mit einer für den Anwendungszweck ausreichend dicken
Schicht so zu beschichten, ohne daß der Graben oder das Loch an den Oberkanten schon
vorher durch die Beschichtung zuwächst und damit einen abgeschlossenen Hohlraum
bildet.
Das Verfahren beruht auf dem Materialabtrag von einer festen Platte ("Target") mittels
Kathodenzerstäubung im Fein- oder Grobvakuum und dem Transport dieses Materials zur
Substratoberfläche mittels eines starken Inertgasstromes. Bei der Herstellung von Schichten
aus Verbindungen kann eine Komponente der Schicht in gasförmiger Form zugeführt
werden, was dann infolge chemischer Reaktion auf der Targetoberfläche, auf dem
Transportweg zum Substrat oder auf der Substratoberfläche zur Entstehung der
gewünschten Verbindung führt. Außerdem kann die Schichtbildung durch eine Substrat
vorspannung beeinflußt werden.
Die Vorteile des erfindungsgemäße Verfahrens lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- - Das Verfahren ermöglicht im Vergleich zu bekannten Verfahren eine deutlich höhere Beschichtungsgeschwindigkeit des Bodens des Loches oder des Grabens und eignet sich daher besonders zur Schichtabscheidung auf den Kontaktflächen in höchstintegrierten elektronischen Schaltkreisen mit hohen Aspektverhältnissen.
- - In durchgeführten Untersuchungen mit Hohlkathoden-Auf-, Ab- oder Zerstäubungs quellen (Hohlkathoden-Sputterquellen) zeigte sich überraschend, daß bei Gräben von 1 µm Breite und 1 µm Tiefe eine sehr gute Bodenbedeckung erreicht wurde, obwohl die Gasstromgeschwindigkeit nur etwa 5% der thermischen Geschwindigkeit der Teilchen betrug.
- - In ähnlichen Versuchen konnte eine nahezu gleichmäßige Bedeckung von Boden, Wänden und Strukturoberseite beobachtet werden.
- - Wird als Sputterquelle eine Hohlkathoden-Gasstromquelle verwendet, so läßt das Verfahren eine sehr hohe Beschichtungsgeschwindigkeit bis zu einigen 10 µm/h zu.
- - Es wird kein Kollimator benötigt und damit die dort auftretende Partikelbildung vermieden. Dadurch ergeben sich sehr wenige Wartungszyklen für die Beschichtungsanlage.
- - Es kann eine große Palette von Schichtmaterialien hergestellt werden.
- - Im Falle der Anwendung einer linearen Hohlkathodenquelle können gleichzeitig mehrere Substrate beschichtet werden, wobei durch eine langsame Substratbewegung quer zur Ausrichtung der Quelle eine sehr homogene Schichtdicke erreicht wird.
- - Durch Anlegen einer Substratvorspannung kann die Schichtbildung durch auftreffende Ionen positiv beeinflußt werden.
Es konnte festgestellt werden, daß die gestellten Aufgaben mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren und seiner Anwendung gelöst wurden.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll in nachfolgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert
werden.
Dabei sind in
Bild 1 eine Verfahrensvariante mit einem Auf-, Ab- oder Zerstäubungs(Sputter)-
Target oder Verdampfer-Tiegel als Dampfquelle
Bild 2 eine Verfahrensvariante zur Schichtherstellung mittels Hohlkathoden-
Gasstromquelle
Bild 3 eine Verfahrensvariante zur Schichtherstellung mittels zweier planarer
Magnetron-Quellen oder einer rohrförmigen Magnetronquelle und
Bild 4 eine Verfahrensvariante zur Schichtherstellung mittels linearer Hohl
kathoden-Gasstromquelle (Querschnittsdarstellung) schematisch
skizziert, sowie in
Bild 5 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines mit einer 150 nm
dicken Aluminiumoxidschicht mittels linearer Hohlkathoden-Gasstromquelle
(Bild 4) beschichteten Loch es von 1 µm Tiefe und 1 µm Breite
dargestellt.
dargestellt.
Es wurden Kontaktlöcher in einer SiO₂-Schicht auf einer Silicium-Halbleiterscheibe mit einer
Aluminiumoxidschicht (Bild 5) beschichtet. Die Löcher sind 1 µm breit und 1 µm tief. Die
Beschichtung erfolgte mit einer Hohlkathoden-Gasstromsputterquelle bei einem Druck von
0,5 mbar (Bild 4). Das Target bestand aus Aluminium, als Reaktivgas wurde Sauerstoff
verwendet.
Claims (14)
1. Verfahren zur Beschichtung von sub-Mikrometerstrukturen, insbesondere in
höchstintergrierten Schaltkreisen, dadurch gekennzeichnet, daß das
Schichtmaterial oder eine oder mehrere Komponenten des Schichtmaterials im Grob- oder
Feinvakuum mittels Kathodenzerstäubung oder Verdampfung in den gasförmigen
Zustand überführt und mit einem kräftigen Transportgasstrom zum Substrat befördert
wird und daß das Schichtmaterial auf dem Substrat in sehr kleinen und vergleichsweise
tiefen Vertiefungen auf der Substratoberfläche am Boden und auch an den
Seitenwänden vollständig und mit hoher Geschwindigkeit ohne Bildung eines
geschlossenen Hohlraumes abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Transportgasstrom mit dem Schichtmaterial senkrecht auf das Substrat geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Transport ein intensiver Inertgasstrom eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas
Argon eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß bei einem Prozeßgasdruck von 0,1 bis 10 mbar eine
Geschwindigkeit des Transportgasstromes zwischen 10 bis 200 m/s eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen von 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß zusätzlich zum Transportgasstrom ein Reaktivgasstrom in die
Vakuumkammer eingespeist wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abscheidung
von TiN Stickstoff und zur Abscheidung von SiO₂ Sauerstoff als Reaktivgasstrom
eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Schichtmaterial oder eine oder mehrere Komponenten
des Schichtmaterials mittels einer Hohlkathoden-Glimmentladung in den gasförmigen
Zustand überführt und mit dem Transportgasstrom durch die Hohlkathode hindurch
zum Substrat transportiert wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüchen von 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Schichtmaterial oder eine oder mehrere Komponenten
des Schichtmaterials mittels einer Magnetron-Glimmentladung in den gasförmigen
Zustand überführt wird, wobei zwei Magnetrons mit ihren Targetseiten zueinander
gerichtet sind und der Transportgasstrom durch den Zwischenraum zwischen beiden
geführt wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Schichtmaterial oder eine oder mehrere Komponenten
des Schichtmaterials durch thermisches Verdampfen in den gasförmigen Zustand
überführt wird, wobei der Transportgasstrom quer durch den vom Verdampfungstiegel
ausgehenden Dampfstrom geführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Beschichtungsquelle in Längsrichtung (deutlich) weiter ausgedehnt ist als in
Querrichtung und daß das oder die Substrate mit langsamer Bewegung quer zur
Längsrichtung der Quelle an dieser vorbeigeführt werden.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Schichtbildung durch einen zusätzlichen Beschuß der
Substratoberfläche mit Ionen, die auch aus der Magnetron-Glimmentladung gewonnen
werden können, beeinflußt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der
Ionenbeschuß mit einer negativen Substratvorspannung zwischen 50 und 1000 V
durchgeführt wird.
14. Anwendung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der Ansprüchen von 1 bis 13
zur Beschichtung von Halbleitersubstraten, die zur Herstellung elektronischer oder
optoelektronischer Bauelemente vorgesehen sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995113918 DE19513918C1 (de) | 1995-04-12 | 1995-04-12 | Verfahren zur Beschichtung von sub-Mikrometerstrukturen und seine Anwendung |
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