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GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung integrierter
Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung von Metallisierungsschichten
und Substratkontaminierungen, die damit verknüpft sind, die während nachfolgender Prozesse
hervorgerufen werden.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER
TECHNIK
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Halbleiterbauteile
werden typischerweise auf im Wesentlichen scheibenförmigen Substraten
hergestellt, die aus einem geeigneten Material gefertigt sind. Die
Mehrheit der Halbleiterbauteile einschließlich äußerst komplexer elektronischer
Schaltungen wird gegenwärtig
und in der näheren
Zukunft auf der Grundlage von Silizium hergestellt, wodurch Siliziumsubstrate
und siliziumenthaltende Substrate, etwa SOI-(Silizium auf Isolator)
Substrate, geeignete Träger
für die
Herstellung von Halbleiterbauelementen, etwa Mikroprozessoren, SRAM's, ASIC's (anwendungsspezifische
IC's) und dergleichen
sind. Die einzelnen integrierten Schaltungen sind feldförmig angeordnet,
wobei die meisten der Herstellungsschritte, die sich auf bis zu
500 und mehr einzelne Schritte in anspruchsvollen integrierten Schaltungen
belaufen, gleichzeitig für
alle Chipbereiche auf dem Substrat ausgeführt werden, mit Ausnahme von
Photolithographieprozessen, Messprozessen und das Einbringen in
ein Gehäuse
der einzelnen Bauteile nach dem Schneiden der Substrate. Somit zwingen ökonomische
Bedingungen die Halbleiterhersteller ständig dazu, die Substratabmessungen
zu vergrößern, um damit
ebenso die zur Herstellung tatsächlicher
Halbleiterelemente verfügbaren
Fläche
zu vergrößern.
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Zusätzlich zur
Vergrößerung der
Substratfläche
ist es ferner wichtig, die Nutzung der Substratfläche für eine gegebene
Substratgröße zu optimieren, um
damit tatsächlich
soviel Substratfläche
wie möglich
für Halbleiterbauelemente
und/oder Teststrukturen, die für
die Prozesssteuerung verwendet werden können, auszunutzen. In dem Versuch,
den nutzbaren Oberflächenbereich
für eine
gegebene Substratgröße zu maximieren,
werden die Chipbereiche am Rand so nahe an dem Substratrand angeordnet,
wie dies mit Substrathantie rungsprozessen verträglich ist. Im Allgemeinen werden
die meisten Herstellungsprozesse in automatisierter Weise durchgeführt, wobei
die Substrathandhabung an der Rückseite
des Substrats und/oder dem Substratrand, der typischerweise eine
Schrägung
zumindest an der Vorderseite des Substrats aufweist, ausgeführt wird.
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Auf
Grund der zunehmenden Anforderung hinsichtlich des Reduzierens der
Strukturgrößen für sehr anspruchsvolle
Halbleiterbauteile hat sich Kupfer, möglicherweise in Kombination
mit einem dielektrischen Material mit kleinem ε, als eine häufig verwendete Alternative
in der Herstellung sogenannter Metallisierungsschichten erwiesen,
die Metallleitungen und Kontaktdurchführungen enthalten, die einzelne
Schaltungselemente verbinden, um die geforderte Funktionalität der integrierten
Schaltung bereitzustellen. Obwohl Kupfer deutliche Vorteile im Vergleich
zu Aluminium, das das typische Metallisierungsmetall der letzten
Jahre war, zeigt, waren die Halbleiterhersteller zögerlich
bei der Einführung
des Kupfers auf Grund der Fähigkeit
des Kupfers, leicht in Silizium und Siliziumdioxid zu diffundieren.
Selbst wenn Kupfer in geringen Mengen vorhanden ist, kann es die
elektrischen Eigenschaften von Silizium und damit das Verhalten
von Schaltungselementen, etwa von Transistoren und dergleichen deutlich
modifizieren. Es ist daher wichtig, das Kupfer in den Metallleitungen
und den Kontaktdurchführungen
einzuschließen,
indem geeignete isolierende und leitende Barrierenschichten verwendet
werden, um die Diffusion von Kupfer in sensible Bauteilgebiete stark
zu unterdrücken.
Des weiteren muss eine Kontaminierung von Prozessanlagen, etwa Transporteinrichtungen, Transportbehältern, Roboterarmen,
Scheibenauflagen, und dergleichen in wirksamer Weise unterdrückt werden,
da selbst geringe Mengen von Kupfer, die auf der Rückseite
eines Substrats abgelagert werden, zu einer Diffusion des Kupfers
in sensible Bauteilbereiche führen
können.
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Das
Problem der Kupferkontaminierung wird noch erhöht, wenn dielektrische Materialien
mit kleinem ε in
Verbindung mit Kupfer verwendet werden, um Metallisierungsschichten
zu bilden, da die mechanische Stabilität der porösen Dielektrika mit kleinem ε geringer
ist. Da mindestens einige der Abscheideprozesse, die bei der Herstellung
von Halbleitern angewendet werden, nicht in effizienter Weise auf
den "aktiven" Substratbereich
beschränkt
werden können,
kann ein Stapel aus Schichten oder Materialresten ebenso an dem
Substratrandgebiet einschließlich
der Abschrägung
gebildet werden, wodurch auf Grund der Prozessungleichförmigkeiten
an dem Substratrand und insbesondere an der Abschrägung des
Substrats ein mechanisch unstabiler Schichtstapel gebildet wird.
Während
weiterer Produktionsprozesse und Substrathantierungsprozessen kann
Material, etwa Kupfer und/oder Dielektrika, abgelöst werden
und deutlich diese Prozesse beeinflussen.
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Beispielsweise
wird bei der Herstellung einer Metallisierungsschicht auf Kupferbasis
die sogenannte Damaszener-Technik gegenwärtig als bevorzugtes Herstellungsverfahren
zur Schaffung von Metallleitungen und Kontaktdurchführungen
angewendet. Dazu wird eine dielektrische Schicht, die möglicherweise
aus einem Dielektrikum mit kleinem ε aufgebaut ist, abgeschieden
und so strukturiert, dass diese Gräben und Kontaktdurchführungen
gemäß den Entwurfserfordernissen
aufweist. Danach wird eine leitende Barrierenschicht mit beispielsweise Tantal,
Tantalnitrid, Titan, Titannitrid und dergleichen abgeschieden, wobei
die Zusammensetzung der Barrierenschicht so gewählt wird, dass auch die Haftung
des Kupfers an den angrenzendem Dielektrikum verbessert wird. Das
Abscheiden der Barrierenschicht kann mittels chemischer Dampfabscheidung (CVD)
oder physikalischer Dampfabscheidung (PVD) erreicht werden, wobei
eine Abscheidung des Barrierenmaterials nicht in wirksamer Weise
auf den aktiven Substratbereich durch gegenwärtig etablierte Abscheidetechniken
beschränkt
werden kann. Daher kann das Barrierenmaterial auch auf die Substratabschrägung und
teilweise auf die Rückseite
des Substrats abgeschieden werden. Danach wird gemäß einem
standardmäßigen Damaszener-Prozessablauf eine
dünne Kupfersaatschicht
durch physikalische Dampfabscheidung oder ähnliche geeignete Prozesse
abgeschieden, um einen nachfolgenden elektrochemischen Abscheideprozess
in Gang zu setzen und zu fördern,
um die Gräben
und Kontaktdurchführungen,
die in dem dielektrischen Material gebildet sind, zu füllen.
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Obwohl
Reaktorgefäße für die elektrochemische
Abscheidung, etwa Elektroplattierungsreaktoren oder Reaktoren für die stromlose
Abscheidung, so gestaltet sein können,
dass diese im Wesentlichen kein Kupfer auf dem Substratrand abscheiden,
kann unter Umständen
die vorhergehende Abscheidung der Saatschicht dennoch zu einer deutlichen
Abscheidung von unerwünschtem
Kupfer auf dem Substratrandgebiet führen. Nach der elektrochemischen Abscheidung
des Großteils
des Kupfers muss überschüssiges Material
entfernt werden, was häufig durch
chemisch-mechanisches Polieren (CMP) erreicht wird, wobei Materialreste,
etwa Kupferstückchen
auf Grund der reduzierten Stabilität des Metallisierungsschichtstapels
insbesondere an der Substratabschrägung "abblättern" können. Die
kupferenthaltenden Materialflocken, die während des CMP-Prozesses freigesetzt
werden, können
sich dann an ungewünschten
Substratgebieten wieder abscheiden oder können den CMP- Prozess für nachfolgende
Substrate beeinflussen. Während
der weiteren Bearbeitung des Substrats kann eine Kupferkontaminierung,
die hauptsächlich
durch die Kupferablösung
an dem Substratrand bewirkt wird, auftreten und kann den sogenannten "back end" Prozessablauf nachteilig
beeinflussen, in welchem Kontaktflächen und Löthöcker gebildet werden. Insbesondere eine
elektrochemische Reaktion zwischen Kupfer und Aluminium, das zur
Herstellung der Kontaktflächen
verwendet wird, kann zu einer sogenannten Lochfraßreaktion
führen,
wodurch die Zuverlässigkeit des
fertiggestellten Halbleiterbauelements deutlich beeinträchtigt wird.
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Da
die Kupferkontaminierung, die durch ungewünschtes Kupfer an dem Substratrand
hervorgerufen wird, als eine wesentlich Kontaminierungsquelle identifiziert
wurde, werden große
Anstrengungen unternommen, um Kupfer von dem Substratrand und der
Abschrägung
zu entfernen, ohne im Wesentlichen das innere, d. h. das aktive,
Substratgebiet zu beeinflussen. Dazu wurden von Halbleiterzulieferern, etwa
Semitool Inc., Novellus Inc. und dergleichen Ätzmodule entwickelt, die so
gestaltet sind, um selektiv ein Mittel mit im Wesentlichen Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid
am Substratrand bereitzustellen, um damit unerwünschtes Kupfer von diesem Gebiet zu
entfernen. Obwohl das Entfernen ungewünschtem Kupfers von dem Substratrand
die Gefahr der Kupferkontaminierung nachfolgender Prozesse reduziert,
zeigt es sich jedoch, dass dennoch eine deutliche Reduzierung der
Produktionsausbeute insbesondere im „back end"-Prozessablauf beobachtbar ist.
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Die
Patentanmeldung
JP
2000-269178 A offenbart einen Substratrandätzprozess
zum Entfernen einer Metallisierungsschicht, die eine Barrierenschicht
umfasst. Eine Flusssäurelösung wird
zum Entfernen der Barrierenschicht und eine wässrige Wasserstoffperoxidlösung zum
Entfernen einer Kupferschicht der Metallisierungsschicht verwendet.
In einer Ausführungsform
wird eine wässrige
Wasserstoffperoxidlösung,
die ferner Flusssäure
enthält,
verwendet. In einer alternativen Ausführungsform kann die Flusssäurekomponente
durch Salpetersäure
ersetzt werden.
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Die
Patentschrift
US 6
211 086 B1 offenbart ein Verfahren zum Vermeiden von CMP
verursachten Rückständen auf
Substraträndern.
Leitende Schichten und Siliziumnitridschichten werden in einem definierten
Substratrandgebiet entfernt. Die Siliziumnitridschichten können durch
die Verwendung beliebiger konventioneller Verfahren entfernt werden.
Andere dielektrische Schichten können
auf den Randgebieten des Substrates zurückbleiben.
- Mader, H.:
Etching Process. In: Landolt-Börnstein. Neue
Serie Band 17c, Springer, 1984, S. 297 offenbart 2HNO3,
1HF, 1H2O als Ätzmittel für Tantal.
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Angesichts
der zuvor bekannten Probleme besteht daher ein Bedarf für eine verbesserte
Technik zur Reduzierung der Kontaminierung und/oder mechanischen
Defekte, die durch das Ablösen
von Dielektrika hervorgerufen werden.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Im
Wesentlichen richtet sich die vorliegende Erfindung an ein Verfahren
zum selektiven Entfernen unerwünschtem
Materials von einem Randbereich eines Substrats, wobei nach der
Herstellung einer Metallisierung nicht nur unerwünschtes Metall, etwa Kupfer,
sondern zumindest auch die darunter liegende Barrierenschicht im
Wesentlichen vollständig
entfernt wird. Das Entfernen zumindest der Schicht, die unmittelbar
unter der Kupferschicht liegt, kann den Aufbau mechanisch unstabiler
Schichten während der
Herstellung mehrerer Metallisierungsschichten reduzieren, wodurch
die Wahrscheinlichkeit einer Ablösung
und somit einer Kupferkontaminierung nachfolgender Prozesse deutlich
verringert wird. Das selektive Entfernen unerwünschten Materials kann durch
Anwendung eines Ätzmittels
erreicht werden, das im Wesentlichen eine wässrige Mischung aus Flusssäure und
Salpetersäure
aufweist. Bei Bedarf kann auch das dielektrische Material unter
der Barrierenschicht an dem Substratrand entfernt werden, um schließlich die
Substratoberfläche
freizulegen, wodurch die Gefahr mechanischer Defekte und damit einer
Substratkontaminierung, die durch das Ablösen von Dielektrika bei Herstellungsprozessen
und Substrathantierungsprozessen hervorgerufen wird, verringert
werden kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch das Verfahren nach
Anspruch 1 gelöst.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird;
es zeigen:
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1a schematisch
eine Draufsicht auf ein Substrat mit einem Bauelement mit einem "aktiven" Gebiet und einem
Randgebiet; und
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1b bis 1g schematisch
Querschnittsansichten eines Teils des Substrats aus 1a,
wobei diverse Schritte beim Entfernen ungewünschten Materials von dem Randgebiet
während
der Herstellung einer oder mehrerer Metallisierungsschichten gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gezeigt sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist,
wie sie in der vorliegenden detaillierten Beschreibung sowie in den
Zeichnungen gezeigt sind, sollte es selbstverständlich sein, dass die folgende
detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen,
die vorliegende Erfindung auf die speziellen anschaulichen offenbarten
Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar,
deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Mit
Bezug zu den 1a bis 1g werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben. Es sollte beachtet
werden, dass die vorliegende Erfindung insbesondere vorteilhaft
ist im Zusammenhang mit Metallisierungsschichten mit Kupfer und
einem dielektrischen Material mit kleinem ε, da ein Ablösen mechanisch empfindlicher
dielektrischer Schichten mit kleinem ε zu einer erhöhten Kontaminierung
nachfolgender Prozesse führen
kann, wie dies zuvor dargelegt ist. Die vorliegende Erfindung kann
jedoch auch im Zusammenhang mit anderen Metallisierungsschemata,
etwa Metallisierungsschichten auf Aluminiumbasis, und dergleichen
angewendet werden, wodurch die Produktionsausbeute auf Grund einer
deutlichen Verringerung der durch Substrathantierungsprozesse, CMP-Prozesse,
und dergleichen erzeugten Partikel verbessert wird. Ferner kann
durch das Entfernen unerwünschten
Materials, das im Gegensatz zu konventionellen Verfahren zusätzlich zu
dem Metall auch die Barrierenschicht enthält, und in einer speziellen
Ausführungsform
eine darunter liegende dielektrische Schicht, die Sicherheitszone
für einen
nicht benutzten Bereich am Rand des Substrats verringert werden,
wodurch mehr Substratfläche
bereitgestellt wird, die für
eigentliche Halbleiterbauelement verfügbar ist.
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1a zeigt
schematisch ein Substrat 100 mit einer Vorderseite 101,
auf der Schaltungselemente herzustellen sind, und einer Rückseite 102,
die häufig
mit jeglicher Art von Substrathaltern während des Transports und der
Bearbeitung des Substrats 100 in Kontakt ist. Die Vorderseite 101 des
Substrats kann in ein "aktives" oder Bauteilgebiet 104,
innerhalb dessen die mehreren einzelnen Chipbereiche angeordnet
werden, und in ein Randgebiet 103 unterteilt werden, das
nicht für
die Herstellung von Schaltungselementen auf Grund der Prozessungleichförmigkeiten,
die insbesondere in den Nähe
des Substratrandes auftreten, verwendet werden kann. Die Größe des Randgebiets 103 und
damit des Bauteilgebiets 104 hängt von der Steuerbarkeit der
beim Herstellen der Schaltungselemente auf dem Bauteilgebiet 104 beteiligten
Prozesse, der Fähigkeit
der Transporteinrichtung, die zum Tragen und Transportieren des
Substrats 100 zwischen aufeinanderfolgenden Prozesse verwendet
wird, und dergleichen ab. Wünschenswerterweise
wird die Größe des Randgebiets 103 so
klein wie möglich
gehalten, um möglichst
viele Chipbereiche auf dem Bauteilgebiet 104 anzuordnen.
Gegenwärtig
sind 200 mm und 300 mm typische Durchmesser von Substraten, die
in modernen Halbleiterherstellungsstätten verwendet werden, wobei
eine Größe D des
Randgebiets 103 von ungefähr 1 bis 5 mm erreichen kann.
Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht auf eine
spezielle Größe des Substrats 100 und
des Randgebiets 103 beschränkt. Das Randgebiet 103 weist
typischerweise eine Abschrägung
auf, wie dies in 1b detaillierter beschrieben
ist.
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1b zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Teils des Substrats 100 einschließlich des
Randgebiets 103, in welchem die Abschrägung 105 gebildet
ist. Ein Schichtstapel 150 mit einer ersten Metallisierungsschicht 151 und
einer isolierenden Schicht 152 ist zumindest über dem
Bauteilgebiet 104 gebildet, wobei einige oder alle der
einzelnen Schichten des Schichtstapels 150 sich in das
Randgebiet 103 und möglicherwei se über die
Abschrägung 105 erstrecken
können.
Die isolierende Schicht 152 kann eine Passivierungsschicht
repräsentieren, die über Schaltungselementen
(nicht gezeigt) gebildet ist, oder kann eine Ätzstopschicht repräsentieren, die
für die
Herstellung der Metallisierungsschicht 151, verwendet wird.
Innerhalb und unter der isolierenden Schicht 152 können Schaltungselemente
einschließlich
von Kontaktgebieten gebildet sein, die der Einfachheit halber nicht
gezeigt sind. Die Metallisierungsschicht 151 umfasst eine
zweite isolierende Schicht 153, die aus einem dielektrischen
Material mit kleinem ε aufgebaut
sein kann. Ein Graben 157 ist in der zweiten dielektrischen
Schicht 153 gebildet und ist mit einem leitenden Barrierenmaterial,
einem Saatschichtmaterial und einem Metall, etwa Kupfer, gefüllt, die
alle in Form einer Barrierenschicht 154, einer Saatschicht 155 und
einer Metallschicht 156 bereitgestellt sind.
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Der
Schichtstapel 150 kann entsprechend gut etablierter Photolithographie-,
Abscheide- und Ätzverfahren
hergestellt werden, wie dies zuvor erläutert ist und daher wird eine
detaillierte Beschreibung weggelassen, um nicht die Wesenheit der
vorliegenden Erfindung unnötig
zu verdunkeln.
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Wie
zuvor erläutert
ist, können
die Prozesse zum Abscheiden der Metallisierungsschicht 151 teilweise
so gestaltet sein, dass ungewünschtes
Material selbst innerhalb des Randgebiets 103 und der Abschrägung 105 in
dem Versuch gebildet wird, das Bauteilgebiet 104 so groß wie möglich zu
gestalten. Ferner kann es in einigen Abscheidetechniken, etwa der
Sputter-Abscheidung und beim CVD schwierig sein, beispielsweise
die Barrierenschicht 154, die Saatschicht 155 und
die dielektrische Schicht 153 auf das Bauteilgebiet 104 zu
beschränken.
Insbesondere an einem Bereich 157 in der Nähe der Abschrägung 105 können Prozessgleichförmigkeiten
während
des Abscheidens der Barrierenschicht 154 und/oder der Saatschicht 155 und/oder
der dielektrischen Schicht 153 zu einem ungleichförmigen Schichtstapel
mit reduzierter mechanischer Stabilität auf Grund der modifizierten
Hafteigenschaften der Barrierenschicht 154 und der Saatschicht 155 führen. Ferner
kann dielektrisches Material der dielektrischen Schicht 153 auch
an der Abschrägung 105 abgeschieden
werden, was ferner zur mechanischen Schwächung des Schichtstapels über der
Abschrägung 105 auf
Grund der inhärenten
reduzierten mechanischen Festigkeit der dielektrischen Schicht 153,
falls diese als ein Material mit kleinem ε vorgesehen ist, etwa SiCOH,
und dergleichen, und auf Grund einer reduzierten Dicke und Ungleichförmigkeiten
während
des Abscheideprozesses, beiträgt.
Als Folge davon können
Teile des Schichtsta pels 150, die über der Abschrägung 105 angeordnet
sind, sich ablösen
und können
nachteilig nachfolgende Prozesse, insbesondere Prozesse, die in
dem back end-Prozessablauf
beteiligt sind, beeinflussen. Im Gegensatz zum herkömmlichen Prozessablauf
basiert die vorliegende Erfindung auf der Überlegung, dass zumindest die
Saatschicht 155 und möglicherweise
Reste der Metallschicht 156 und der Barrierenschicht 154 im
Wesentlichen vollständig entfernt
werden soll, zumindest an der Abschrägung 105, um die Gefahr
der Kontaminierung nachfolgender Prozesse zu minimieren, da selbst
nach einer konventionellen Metallentfernung geringe Mengen an Metall
vorhanden sein können,
die dann bei der Ablösung
der Barrierenschicht 154 und/oder der dielektrischen Schicht 153 freigesetzt
werden können.
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1c zeigt
schematisch das Substrat 100, wenn ein Ätzprozess für das wesentliche Entfernen zumindest
der Saatschicht 155 einschließlich von Resten der Metallschicht 156 und
der Barrierenschicht 154 über dem Randgebiet 103 ausgeführt wird.
Das Substrat 100 kann auf einem Substrathalter 122 eines
geeigneten Ätzmoduls
(nicht gezeigt) angeordnet werden, das so gestaltet ist, um selektiv
ein Ätzmittel 121,
beispielsweise mittels einer Düse 120, zuzuführen. Die
Düse 120 und
der Substrathalter 122 können so gestaltet sein, um
das Substrat 100 zu halten und mit einer geeigneten Geschwindigkeit
zu rotieren, um eine Zentrifugalkraft auf das Ätzmittel 121 auszuüben, wodurch
ein Kontakt des Ätzmittels 121 mit
Material, das über
dem Bauteilgebiet 104 angeordnet ist, in Wesentlichen vermieden
wird. Ein geeignetes Ätzmodul,
das die selektive Aufbringung des Ätzmittels 121 erlaubt,
ist beispielsweise von Semitool Inc. unter der Handelsbezeichnung "capsule" erhältlich.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung
nicht auf eine spezielle Ätzanlage
eingeschränkt
und die Erfindung mit einer beliebigen geeigneten Ätzanlage
ausführbar
ist, die gegenwärtig
auf dem Markt erhältlich
ist. Die einzige Anforderung besteht in einer ausreichenden Inertheit der
Komponenten des Ätzmoduls
in Hinblick auf das Ätzmittel 121.
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In
der Ausführungsform
weist das Ätzmittel 121 eine
wässrige
Mischung aus Flusssäure
(HF) und Salpetersäure
(HNO3) auf. Das Verhältnis von deionisiertem Wasser,
Flusssäure
und Salpetersäure kann
entsprechend der gewünschte Ätzrate für ein spezifisches
Material, z. B. Kupfer und Tantal, das in der Saatschicht 155 und
der Barrierenschicht 154 vorhanden ist, gewählt werden.
Beispielsweise kann deionisiertes Wasser, 79 gewichtsprozentige
HNO3 und 49 gewichtsprozentige HF in einem
Verhältnis von
unge fähr
10:1:8 Volumenteile, und in einer weiteren Ausführungsform als ein Verhältnis von
ungefähr 14:1:2
gemischt werden. Des weiteren kann die Temperatur des Ätzmittels 121 für die oben
spezifizierten Mischungen auf ungefähr 25 bis 35°C eingestellt werden.
Vorteilhafterweise wird die Temperatur des Substrats 100 ebenso
auf den oben spezifizierten Temperaturbereich eingestellt, um die
erforderliche Ätzrate
zu erreichen.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform wird
das Substrat 100 in einer im Wesentlichen geschlossenen
oder geschützten
Umgebung geätzt,
so dass die Emission von toxischen Ätzreaktionsprodukten im Wesentlichen
vermieden wird. Zum Beispiel kann die Metallisierungsschicht 151 Kupfer
aufweisen, das während
der Reaktion mit dem Ätzmittel 121,
wenn das Ätzmittel 121 Salpetersäure enthält, Stickoxide
erzeugen kann. Die Gasatmosphäre,
die in dem Ätzmodul
eingeschlossen ist, kann dann kontinuierlich oder nach Abschluss
des Ätzprozesses aufbereitet
werden, dahingehend, dass Stickoxide in nicht toxische Produkte
durch beispielsweise eines Katalysatormaterials umgewandelt werden.
Die Verwendung einer wässrigen
Mischung aus HF und HNO3 ermöglicht,
obwohl Stickoxide entstehen können,
das Entfernen von Kupfer und Barrierenmaterial auf Tantal-Basis
in einem gemeinsamen Ätzprozess.
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In
einer weiteren anschaulichen Ausführungsform kann das Ätzmittel 121 so
gestaltet sein, dass es im Wesentlichen Kupfer entfernt, ohne nennenswert
Stickoxide zu erzeugen. Dazu kann das Ätzmittel 121 einen
Mischung aus Schwefelsäure und
Wasserstoffperoxyd und dergleichen aufweisen. Danach kann ein zweites Ätzmittel
dem Randgebiet 103 zugeführt werden, wobei ein oder
mehrere Spülschritte
ausgeführt
werden können,
um das Ätzmittel 121 und
Reaktionsprodukte des vorhergehenden Kupferätzprozesses entfernt werden.
Das zweite Ätzmittel
kann dann eine wässrige
Mischung aus Flusssäure
und Salpetersäure
in einem Verhältnis, wie
es beispielsweise zuvor beschrieben ist, oder in einem anderen geeigneten
Verhältnis,
aufweisen. Mittels des zweiten Ätzmittels
kann zumindest die Barrierenschicht 154 über dem
Randgebiet 103 und insbesondere an der Abschrägung 105 entfernt
werden. Durch Entfernen der Barrierenschicht 154, unabhängig davon,
ob ein Einzelschrittätzprozess durch
Bereitstellen des Ätzmittels 121 als
eine wässrige
Mischung aus Flusssäure
und Salpetersäure, oder
mittels eines Mehrschrittätzprozesses
mit einer Kupferentfernung im Wesentlichen ohne Salpetersäure wird
die Wahrscheinlichkeit einer Kupferkontaminierung des Substrats 100 in
nachfolgenden Prozessen und eine Kontaminierung von Scheibenhantierungskomponenten
deutlich im Vergleich zur konventionellen Lösung reduziert, in der die
Barrierenschicht 154 im Wesentlichen intakt bleibt.
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Des
weiteren kann es in einigen Ausführungsformen
vorteilhaft sein, das Ätzmittel 121 auf die
Rückseite 102 des
Substrats 100 aufzubringen, um Metall und Material der
Barrierenschicht zu entfernen, das während der Sputterabscheidung
bei der Herstellung der Schichten 154 und 155 abgeschieden
worden sein kann. Für
das Entfernen von Material von der Rückseite 102 gelten
die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zum Ätzen des
Randgebiets 103 angeführt
sind. D. h., das Material kann in einem einzelnen Ätzprozess
durch Aufbringen einer wässrigen
Mischung aus Flusssäure
und Salpetersäure
entfernt werden, oder Kupfer kann in einem anfänglichen Ätzschritt bei Abwesenheit von
Salpetersäure
entfernt werden, um damit im Wesentlichen die Erzeugung von Stickoxiden
zu vermeiden. Typsicherweise können
verfügbare Ätzanlagen,
die zur Kupferentfernung an dem Randgebiet 103 verwendet
werden, auch so ausgestaltet sein, dass diese das Ätzen der
Rückseite 102 ermöglichen.
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1d zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht des Substrats 100 gemäß einer
speziellen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In 1d wurde
der Ätzvorgang
bei Anwesenheit einer wässrigen
Mischung aus Flusssäure
und Salpetersäure
fortgesetzt, um die dielektrische Schicht 153 zu entfernen,
und in weiteren Ausführungsformen
wurde der Ätzprozess
fortgesetzt, um auch eine darunter liegende Schicht, etwa die dielektrische
Schicht 152 zu entfernen, um damit schließlich die
Substratoberfläche
des Gebiets 103 und der Abschrägung 105 freizulegen.
Wenn beispielsweise das Substrat 100 ein Siliziumsubstrat
oder ein SOI-Substrat repräsentiert,
wird eine blanke Siliziumoberfläche
freigelegt, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Kontaminierung
nachfolgender Prozesse reduziert und ferner ein mechanisch stabiles
Substratrandgebiet 103 bereitgestellt wird. Eine laterale
Ausdehnung 158 des Randgebiets 103 kann geeignet
durch die selektive Aufbringung des Ätzmittels 121 (vergleiche 1c) definiert
werden, da eine relativ scharfe Grenze zwischen dem Bauteilgebiet 104 und
dem Randgebiet 103 erreicht werden kann, indem durch die
dielektrischen Schichten 153 und 152 hindurchgeätzt wird. Die
Ausdehnung 158 kann im Vergleich zu einem konventionellen
Randbehandlungsprozess auf Grund der Abwesenheit eines Übergangsgebiets zwischen
dem Bauteilgebiet 104 und dem Randgebiet 102,
das eine reduzierte mechanische Stabilität aufweist, kleiner sein. Somit
kann die laterale Ausdehnung 158 so gewählt werden, dass diese mit
Substrathantierungsanlagen kompatibel ist, wobei im Wesentlichen
keine Prozesstoleranzen erforderlich sind, die das Ablösen von
Teilen der dielektrischen Schicht 153 berücksichtigen.
Somit kann gemäß der vorliegenden
Erfindung das Bauteilgebiet 104 vergrößert werden, wobei dennoch
eine Kontaminierung nachfolgender Prozesse und Prozessanlagen verringert
ist.
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1e zeigt
schematisch das Substrat 100 nach dem Entfernen von Überschussmaterial
der Metallschicht 156 (siehe 1d) durch
CMP, wobei zudem die Saatschicht 155 und die Barrierenschicht 154 außerhalb
des Grabens 157 entfernt worden sind, um eine eingeebnete
Metallisierungsschicht 151A bereitzustellen. Wie zuvor
erläutert
ist, ist die Gefähr
der Materialablösung
und damit der Kupferkontaminierung deutlich reduziert auf Grund
des Entfernens von Metall und Material der Barrierenschicht, insbesondere
an der Abschrägung 105 und über dem Randgebiet 103.
In der speziellen Ausführungsform, in
der die Substratoberfläche
im Wesentlichen freigelegt wird durch Entfernen der dielektrischen
Schichten 153 und 152, die ihrerseits teilweise
aus einem Dielektrikum mit kleinem ε gebildet sein können, wie in 1e gezeigt
ist, wird eine noch bessere Reduzierung der Kontaminierung auf Grund
der im Wesentlichen "inerten" Oberfläche an dem
Randgebiet 103 und der Abschrägung 105 erreicht.
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1f zeigt
schematisch das Substrat 100 nach der Herstellung einer
zweiten Metallisierungsschicht 161 auf der eingeebneten
ersten Metallisierungsschicht 151A, während eines Ätzprozesses, der ähnlich zu
dem Prozess ist, der zuvor mit Bezug zu 1c beschrieben
ist. Die zweite Metallisierungsschicht 161 kann eine dielektrische Ätzstopschicht 162 gefolgt
von einer dielektrischen Schicht 163 aufweisen, wobei beispielsweise
die dielektrischen Schichten 162 und 163 aus einem
Dielektrikum mit kleinem ε aufgebaut
sein können.
Ein Graben 167a und eine Kontaktdurchführung 167b sind in der
dielektrischen Schicht 163 gebildet, wobei deren Seitenwände von
einer Barrierenschicht 164 gefolgt von einer Saatschicht 165 bedeckt
sind. Schließlich ist
eine Metallschicht 166, beispielsweise mit Kupfer, über dem
Graben 167a gebildet.
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Wie
zuvor mit Bezug 1b erläutert ist, kann dielektrisches
Material der Schichten 162, 163 sowie das leitende
Material der Barrierenschicht 164, das beispielsweise Tantal
und/oder Tantalnitrid aufweist, und der Saatschicht 165 ebenso
auf dem Randgebiet 103 und der Abschrägung 105 abgeschieden
worden sein. Somit kann ein weiterer Ätzprozess unter Anwendung eines Ätzmodells,
wie es mit Bezug zu 1c beschrieben ist, durchgeführt werden,
um ein oder mehrere Ätzmittel
an dem Randgebiet 103 bereitzustellen, um damit ungewünschtes
Metall und Barrierenschichtmaterial und dielektrisches Material
von dem Randgebiet 103 und insbesondere von der Abschrägung 105 zu
entfernen. Hinsichtlich der Ätzstrategie
und den darin verwendeten Ätzmitteln
gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu 1c dargelegt
sind.
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1g zeigt
schematisch das Substrat 100 nach Abschluss des Ätzprozesses,
wobei Material auf der Abschrägung 105 und
auf dem Randgebiet 103 wirksam entfernt wurde, um die Substratoberfläche im Wesentlichen
freizulegen. Die weitere Bearbeitung des Substrats 100,
wie es in 1g gezeigt ist, kann mit einem
weiteren CMP-Prozess fortgesetzt werden, um überschüssiges Material der Metallschicht 166 zu
entfernen und um die Metallisierungsschicht 161 einzuebnen.
Wiederum sorgen die im Wesentlichen freigelegte Abschrägung 105 und die
wirksame Materialentfernung auf dem Randgebiet 103 für eine deutlich
reduzierte Kontaminierungsrate im Vergleich zur konventionellen
Bearbeitung. Insbesondere während
der weiteren Verarbeitung des Substrats 100 bei der Herstellung
von Kontaktflächen
und Löthöcker reduziert
besonders die wirksame Freilegung der Abschrägung 105 deutlich die
Materialablösung
und damit die Kontaminierung nachfolgender Prozesse, insbesondere
wenn die Metallisierungsschichten 161 und 151A Kupfer
aufweisen.
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Röntgenfluoreszenzmessungen
mit Elektronenanregung von mehreren Testsubstraten mit Metallisierungsstapel
mit dielektrischem Material mit kleinen ε auf der Grundlage von Siliziumoxid,
etwa SiCOH, einer tantalenthaltenden Barrierenschicht und einer
Kupfermetallschicht bestätigten,
dass im Wesentlichen keine Spuren von Kupfer, Tantal und Sauerstoff
auf der Abschrägung 105 vorhanden
waren, während
lediglich vernachlässigbare
Mengen an Tantal und Sauerstoff auf dem Randgebiet 103 nachgewiesen
werden konnten. Somit zeigten die Messungen, dass Kupfer von kritischen
Substratgebieten, etwa der Abschrägung 105 und dem Randgebiet 103,
wirksam entfernt werden kann, wodurch die Kupferkontaminierung nachfolgender
Prozesse und Prozessanlagen deutlich verringert wird. Durch Ausführen eines Ätzprozesses,
der gemäß einer
speziellen Ausführungsform
so gestaltet ist, um im Wesentlichen dielektrische Materialien zu
entfernen, insbesondere mechanisch instabile Dielektrika mit kleinem ε, nach Fertigstellung
einer Metallisierungsschicht kann die Ausbildung mechanisch schwacher
Schichtstapel an dem Substratrand verhindert werden, wodurch das
Risiko einer Materialablösung
in nachfolgenden Prozessen reduziert wird. Die relativ scharfe Grenze,
die durch das Ätzen
durch die Dielektrika hindurch – möglicherweise
bis zur Substratoberfläche
hinab – geschaffen
wird, liefert die Möglichkeit, die
Größe des Randgebiets 103 entsprechend
den Anlagenspezifikationen hinsichtlich des erforderlichen "Platzes" an der Substratvorderseite 101 für eine korrekte
Substrathantierung zu definieren. Somit kann die wertvolle Substratfläche, die
für eigentliche
Halbleiterbauelemente verfügbar
ist, bei einer gegebenen Substratgröße im Vergleich zur konventionellen
Technik vergrößert werden.