Nano Device Technologies

Entwicklung von Ätz- und Strip-Prozessen für BEOL-Materialien

 

Forschung und Entwicklung

Die Strukturierungsprozesse, welche bei der Integration von Kupfer und low-k-Dielektrika in Leitbahnsysteme zum Einsatz kommen, sind ausschließlich Trockenätzverfahren. Diese Verfahren gestalten sich mit wachsender Skalierung der Strukturdimensionen zunehmend schwieriger. Weiterhin werden zunehmend neue Materialien für Diffusionsbarrieren und Interlevel-Dielektrika Materialien eingesetzt, was die Forderung nach neuen Ätzprozessen zusätzlich verstärkt. Die Abteilung Nano Device Technologies des Fraunhofer ENAS arbeitet bereits seit einigen Jahren an der Entwicklung materialkompatibler Ätz- und Stripprozesse für die Kupfer/low-k-Integration. Die Entwicklung optimaler und einsatzbereiter Prozesse für das Ätzen von Kupferleitbahnen bzw. für die Strukturierung von dichten und porösen SiCOH-Dielektrika mit einem Minimum an Material- und Seitenwandschädigung bildet dabei den Fokus der Untersuchungen. Weiterhin ist auch die Entwicklung von BEOL-kompatiblen Entfernungsprozessen für Photolacke ein wichtiges Forschungsgebiet. Bei den Untersuchungen kommen moderne In situ-Plasmadiagnoseverfahren zum Einsatz, welche zum besseren Verständnis der physikalischen und chemischen Vorgänge, die während der teilweise sehr komplexen Ätz- und Strip-Prozesse ablaufen, beitragen sollen.

 

Ätzen von BEOL-Metallen

• Entwicklung von Ätzprozessen mit hohen Aspektverhältnissen für die Herstellung von Kupferleitbahnen auf der Basis chlorhaltiger Ätzchemien (siehe Abb. 1)
• Verbesserung der Seitenwandqualität nach dem Ätzen zur Vermeidung von Rauhigkeit und Löchern durch die Verwendung polymerisierender Zusätze (gezeigt für CH₄ in Abb. 2)
• Optimierung der Kupfer-Ätzrate um moderate Prozesszeiten zu erzielen
• Entwicklung von Ätzprozessen für Aluminium und die Verbindungen AlCu bzw. AlSiCu mit hoher Homogenität und guter Selektivität zu Oxid-Hartmasken und Photolacken
• Weiterentwicklung von Ätzrezepten für Diffusionsbarrieren, z.B. Ti, TiN, Ta und TaN, mit geringster Abtragsdickenschwankung, sehr guter Selektivität zu Hartmasken und Photolacken und guter Wafer-zu-Wafer-Stabilität

 

Ätzen von BEOL-Dielektrika

• Entwicklung von Ätzprozessen für dichtes und poröses SiCOH auf der Basis von Fluorkohlenwasserstoffplasmen, welche die unabhängige Steuerung von Ätz- und Polymerisierungsmechnismus ermöglichen (siehe Abb. 3 c und d)
• Verringerung von Unregelmäßigkeiten in der Ätzgeometrie, z.B. Wölbung, Unterätzung und strukturbreitenabhängige Ätztiefe, durch die Verwendung verschiedener Zusätze zum Prozessgas, z.B. Ar, CO, N₂ und O₂ (siehe Abb. 4), und durch die Veränderung von Prozessparametern, z.B. Kammerdruck, ICP-Leistung und Bias-Leistung
• Verminderung der Schädigung des Dielektrikums durch den Ätzprozess (Abb. 3 b), besonders in den Seitenwänden, durch die schützende Wirkung des während des Ätzens entstehenden Polymerfilms, Beeinflussung und weitestgehend unabhängige Steuerung dessen Bildung durch die Verwendung verschiedener Additivgase
• Entwicklung von Ätzprozessen für SiCOH-Deckschichten und für das Öffnen der Ätzstoppschichten in den Via-Böden, z.B. SiC, SiCN, bei minimaler Schädigung des low-k-Dielektrikums und der Seitenwände
• Optimierung von Trockenätzprozessen für thermisches Oxid bzw. PECVD-Oxid und -Nitrid mit guter Homogenität, hoher Selektivität zum Photoresist und minimalem Verbrauch des darunter liegenden Siliziums

 

BEOL-kompatibles Entfernen des Photoresists

• Rückstandsloses Entfernen des Photoresists mittels oxidierender oder reduzierender Prozesse
• Entwicklung von Entfernungsprozessen für Photolack auf Metallen, z.B. AlCu, AlSiCu, mit hoher Korrosionsbeständigkeit
• Optimierung von Prozessen für die Entfernung von Rückständen und Photolacken nach dem Ätzen von low-k-Dielektrika mit minimaler Material- und Seitenwandschädigung durch Veränderung der Strip-Chemie und Variation von Prozessparametern
• Optimierung von Lackentfernungsprozessen

 

In Situ Diagnoseverfahren

• Alle Ätzprozesse können mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) und Quadrupol-Massenspektrometrie (QMS) untersucht werden.
• Für das Ätzen von Dielektraschichten stehen ergänzend die optische Absorptionsspektroskopie (OAS) und eine Langmuir-Sonde (LP) zur Verfügung.
• Die Optimierung der Stripprozesse kann mittels eines Quadrupol-Massenspektrometers erfolgen.
• Detailliertere Informationen finden sich in der Rubrik Plasmadiagnostik.

 

Equipment

Die Abteilung Nano Device Technologies des Fraunhofer ENAS verfügt über eine kommerzielle Trockenätzanlage MXP Centura der Firma Applied Materials. Diese Anlage ist mit drei verschiedenen Kammern, zum Ätzen von Dielektrikaschichten, Ätzen von Metallen und Entfernen von Photoresisten, ausgerüstet. Die Dielektrika-Ätzkammer ist ein eMXP Plus Reaktor, welcher auf dem MERIE-Prinzip basiert. In dieser Kammer können Fluorkohlenwasserstoffplasmen sowie SF₆- und NF₃-Plasmen mit verschieden Zumischungen eingesetzt werden. Zum Ätzen von Metallschichten steht ein DPS-Reaktor zur Verfügung, in dem Aluminium und Kupfer sowie verschiedene Verbindungen dieser Materialien unter Verwendung chlorhaltiger Ätzchemien strukturiert werden können. Zur Lackentfernung dient eine ASP-Kammer, welche mit einem Downstream-Mikrowellenplasma arbeitet. Neben den typischen oxidierenden und reduzierenden Stripchemien können auch polymerisierende Zusätze, z.B. CF₄ und CH₄, sowie Wasserdampf verwendet werden. Weiterhin steht eine AMAT P5000 Ätzkammer zur Strukturierung von Barrierematerialien wie TiN und TaN zur Verfügung.
Die Ätzanlagen sind für 200 mm Wafer konfiguriert. Mit entsprechenden Adaptern können jedoch auch kleinere Probengrößen bearbeitet werden. In Kooperation mit dem ZfM der TU Chemnitz sind weitere Ätzanlagen für geringere Waferdurchmesser und auch Nicht-Standardmateralien verfügbar.