AT8066U1

AT8066U1 - Verfahren zur herstellung einer tanx schicht

Info

Publication number: AT8066U1
Application number: AT0027605U
Authority: AT
Inventors: Arno Schintlmeister; Peter Wilhartitz
Original assignee: Plansee Ag
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-01-15
Also published as: WO2006113955A3; WO2006113955A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer TaNx Diffusionsbarriereschicht mit 0,5 = x = 1,67, wobei als Verdampferquelle Tantalnitrid oder ein Tantalnitrid - Tantal Cermet mit einer Dichte > 99 % der theoretischen Dichte verwendet wird. Durch die Verwendung von keramischen Tantalnitrid oder Tantalnitrid - Tantal Cermet Verdampferquellen Targets kann der Anteil an Reaktivgas im Prozessgas auf ein Minimum reduziert werden. Ein Anteil von < 20 Vol.% der Reaktivgaskomponente ist typischerweise ausreichend, um Verluste durch Abpumpen des gasförmigen Bestandteiles der Verbindung während des Verdampfungs- und Kondensationsvorganges des Schichtmaterials zu kompensieren.

Description

2 AT 008 066 U1

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer TaNx Diffusionsbarriereschicht mit 0,5<x< 1,67.

Eine Hauptanwendung für TaNx Schichten sind Barriereschichten für Kupfer-Leiterbahnen in 5 mikroelektronischen Bauteilen. Die Notwendigkeit für Barriereschichten ergibt sich aus zweierlei Gründen. Zum einen besteht bei der Bauteilherstellung die Gefahr der Diffusion von Kupfer in das Siliziumsubstrat durch thermisch aktivierte Diffusion und der Bildung von Kupfersiliziden, da die Abscheidung von Halbleiterschichten, z.B. SiN, in CVD-Prozessen bei Temperaturen bis 350°C erfolgt. 10

Des Weiteren kann im Betrieb Elektromigration des Metalls auftreten. Die treibende Kraft für Elektromigration sind Unterschiede in der Stromdichte. Durch die Verkleinerung der Strukturen kommt es zu einer Erhöhung der Stromdichte, was zu einem verstärkten Auftreten von Elektromigration führt. Die Substitution von Aluminium bzw. Aluminium-Legierungen durch Kupfer bzw. 15 Kupfer-Legierungen für Metallisierungsschichten im Bereich IC und TFT-LCD in Verbindung mit der Verkleinerung der Strukturen führen zu einer Verschärfung dieser Problematik. Geforderte Eigenschaften für Barriereschichten sind sowohl niedere Diffusivität für Metalle, im speziellen für Aluminium und Kupfer, als auch eine gute Benetzbarkeit und eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit. Tantal-Nitridschichten weisen dabei eine niedere Diffusivität für Kupfer auf. 20 Nachteilig sind deren schlechte Benetzbarkeit für Kupfer und deren relativ hoher elektrischer Widerstand. Metallische Tantal-Schichten weisen hingegen eine gute Benetzbarkeit und einen niederen elektrischen Widerstand auf, jedoch bei sehr hoher Diffusivität für Kupfer.

Die Herstellung von Tantalnitrid-Barriereschichten nach dem Stand der Technik kann so erfol-25 gen, dass zunächst eine Keimschicht mit einer Stärke von < 10 nm abgeschieden wird. Bei schlechter Schichthaftung kann dies auch eine metallische Tantal-Schicht sein, die mittels nicht reaktivem Magnetron-Sputtern abgeschieden wird. Bei guter Schichthaftung finden Tantal-Nitridschicht Schichten Verwendung, die mittels reaktivem Magnetron-Sputtern, ausgehend von metallischen Tantal-Verdampferquellen abgeschieden werden. Auf die Keimschicht wird die 30 eigentliche Funktionsschicht, nämlich die Diffusionsbarriere, mittels CVD-Prozess abgeschieden. CVD-Schichten lassen sich auch bei komplexen Geometrien, wie dies bei Damaszene-Strukturen der Fall ist, homogen abscheiden.

Alternativ können auch Multilayer-Schichten, bestehend aus Tantal-Metall und Tantal-Nitrid 35 mittels nicht-reaktivem bzw. reaktivem Magnetron-Sputtern, ausgehend von metallischen Tantal-Verdampferquellen abgeschieden werden.

Um stöchiometrische Verbindungsschichten abzuscheiden, muss beim reaktiven Sputtern, ausgehend von metallischen Tantal-Verdampferquellen dem Prozessgas (typischerweise Ar-40 gon) ein relativ hoher Anteil an Reaktivgas beigemengt werden. Der hohe Anteil an Reaktivgas führt zur Bildung von Verbindungsschichten an der Oberfläche der Verdampferquelle und damit zur Vergiftung der Verdampferquelle. Durch diese Vergiftung der Verdampferquelle wird die Beschichtungsrate drastisch reduziert. Darüber hinaus kann es durch die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften des Metalls und der Verbindung zu lokalen Lichtbogenentladungen 45 kommen, welche wiederum durch lokales Aufschmelzen der Verdampferquelle Fehler in den Schichten (Spritzer oder Splashes) hervorrufen. Durch die starke Abhängigkeit der Beschichtungsrate vom Reaktivgasanteil im Sputtergas ist die Abscheidung von gleichmäßigen Schichten mit definierter chemischer Zusammensetzung nur sehr schwer möglich. Das gilt vor allem für die Beschichtung von großflächigen Substraten. Bisherige Ansätze zur Verbesserung der so Problematik waren hauptsächlich auf anlagetechnische Maßnahmen konzentriert, wie z.B. plasmadiagnostisch kontrollierte Reaktivgaszuführung.

Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ist es daher ein Verfahren bereitzustellen, mit dem sich homogene Tantal-Nitridschichten abscheiden lassen. 55 3 AT 008 066 U1

Gelöst wird diese Aufgabenstellung durch ein Verfahren zur Herstellung einer TaNx Diffusionsbarriereschicht mit 0,5 5 x < 1,67, wobei eine Tantalnitrid Keramik oder ein Tantalnitrid - Tantal Cermet mit einer Dichte > 99 Gew.% verwendet wird. 5 Dabei versteht man unter einem Cermet einen Werkstoff mit keramischen und metallischen Phasenanteilen; d.h. im gegebenen Fall Tantalnitrid und Tantal Phasenanteile.

Durch die Verwendung von keramischen Tantalnitrid oder Tantalnitrid - Tantal Cermet Verdampferquellen Targets kann der Anteil an Reaktivgas im Prozessgas auf ein Minimum redu-io ziert werden. Ein Anteil von < 20 Vol.% der Reaktivgaskomponente ist typischerweise ausreichend, um Verluste durch Abpumpen des gasförmigen Bestandteiles der Verbindung während des Verdampfungs- und Kondensationsvorganges des Schichtmaterials zu kompensieren.

Es hat sich gezeigt, dass bei Verwendung von Tantalnitrid - Tantal Cermets die erfinderischen 15 Vorteile dann erzielt werden, wenn der Gesamt Stickstoff Gehalt zwischen 10 At.% und 55 At.% liegt.

Erfindungswesentlich dabei ist weiters, dass die Verdampferquelle eine Dichte > 99 % der theoretischen Dichte aufweist. Damit kann verhindert werden, dass sich adsorbierende Gase 20 und Luftfeuchtigkeit in den Porenwänden der Verdampferquelle anreichern, wodurch lange Pumpzeiten zur Einstellung des Hochvakuums in der Anlage vor und während des Beschichtungsvorganges vermieden werden können. Auch das Auftreten von lokalen Lichtbogenentladungen, die auf eine erhöhte elektrische Feldstärke im Bereich scharfer Kanten und Spitzen der freigelegten Porenwände zurückzuführen ist, wird verhindert. 25

Weiters wird durch die hohe Dichte eine ausreichende Wärmeabfuhr von der Oberfläche der Verdampferquelle gewährleistet, wodurch Bruch auf Grund lokaler Temperaturunterschiede und damit thermisch induzierter Spannungen vermieden werden kann. 30 Für Schichten im Bereich der Mikroelektronik ist es weiters vorteilhaft, dass die Reinheit der Verdampferquelle > 99,95 Gew.%, bevorzugt > 99,99 Gew.% beträgt. Bei der Herstellung von TaNx Diffusionsbarriereschichten unter Verwendung von keramischen Tantalnitrid oder Tantalnitrid - Tantal Cermet Verdampferquellen kann auf herkömmliche Beschichtungsverfahren wie DC Sputtern, DC-Pulsed Sputtern, MF Sputtern und Lichtbogenverdampfen zurückgegriffen 35 werden. Als Beschichtungsatmosphären kommen dabei jeweils Argon, Stickstoff oder Gemische dieser beiden Gase zum Einsatz. Da es beim Beschichtungsvorgang zu keiner Abreicherung von Verunreinigungen kommt, soll die Reinheit der Verdampferquelle größer 99,95 Gew.%, bevorzugt 99,99 Gew.% betragen. Um die geschilderten Eigenschaften der Tantalnitrid Keramik oder des Tantalnitrid - Tantal Cermets zu erzielen, können verschiedene 40 Herstellverfahren zum Einsatz kommen. Eine homogene, feinkörnige Gefügestruktur bei einer geringen Porosität kann durch die Verwendung von TaN Pulver mit einer laseroptisch gemessenen Korngröße von 3 pm bis 20 pm, welches durch einen Heißpressvorgang bei einer Temperatur von 1600°C bis 2100°C in einer Stickstoffatmosphäre verdichtet wird, erzielt werden. Alternativ kann die Warmverdichtung auch durch Spark-Plasma Sintern, ebenfalls bei einer 45 Temperatur von 1600°C bis 2100°C erfolgen. Der vorteilhafte Druckbereich liegt dabei bei 10 MPa bis 50 MPa. Um die Zersetzung des Tantalnitrids zu vermeiden, ist der Warmverdichtungsvorgang in einer stickstoffhältigen Atmosphäre durchzuführen. Als weitere Verdichtungstechnik kann auch heißisostatisches Pressen bei einem Pressdruck von 50 MPa bis 250 MPa bei Temperaturen von 1600°C bis 2100°C zum Einsatz kommen. 50

Im Folgenden ist die Erfindung durch Beispiele beschrieben.

Figur 1 zeigt die Bruchfläche einer TaN Verdampferquelle

Figur 2 zeigt die Zusammensetzung der abgeschiedenen TaN Schichten in Abhängigkeit von 55 der Zusammensetzung des Sputtergases gemäß Beispiel 2

Claims

4 AT 008 066 U1 Figur 3 zeigt die Zusammensetzung der TaNx Schichten in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Atmosphäre gemäß Beispiel 2 Beispiel 1 5 Ein TaN Pulver mit 6,83 Gew.% N und einer laseroptisch gemessenen Korngröße von 10 pm wurde mittels Heißpressen bei 1800°C unter N2 Atmosphäre mit einem Pressdruck von 30 MPa verdichtet. Es wurde eine annähernd porenfreie Verdampferquelle mit homogener und feiner Mikrostruktur erhalten, mit einer Zusammensetzung, die der von TaN (6,79 Gew.% N) ent-io spricht. Figur 1 zeigt eine REM Aufnahme der Bruchoberfläche. Beispiel 2 Mit der TaN Verdampferquelle aus Bsp. 1 wurden mittels DC-Magnetronsputtern in Ar + N2 15 Atmosphäre (0 Vol.%N2 bis 50 Vol.%N2) bei unterschiedlichen Leistungen (1000W und 2500W) und Gesamtdrücken (2 E-3 mbar, 5 E-3 mbar, 1 E-2 mbar) TaNx Schichten mit 0,66 < x < 1,39 abgeschieden. Die Versuche wurden in einer Leybold Z660 Sputteranlage, ausgestattet mit einer Leybold PK200 Sputterquelle (Targetdimension 0 200 x 6 mm), durchgeführt. Figur 2 zeigt die Beschichtungsrate in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Atmosphäre. Die 20 Beschichtungsrate sinkt kontinuierlich mit steigendem N2-Gehalt der Atmosphäre, was auf die geringere Sputtereffizienz von Stickstoff im Vergleich zu Argon zurückgeführt werden kann. Im Unterschied zum Reaktivsputtern von metallischen Ta Targets ist jedoch über den gesamten Bereich kein scharfer, stufenförmiger Abfall der Beschichtungsrate feststellbar, was eindeutig darauf hinweist, dass das keramische TaN Target nicht vergiftet. Figur 3 zeigt die Zusammen-25 Setzung der abgeschiedenen TaN Schichten in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Sputtergases. Es kann eine lineare Beziehung zwischen dem Stickstoffgehalt der Schichten und dem Stickstoffgehalt der Atmosphäre festgestellt werden. Das bedeutet, dass bei der Abscheidung von Schichten mit dem vorliegenden keramischen Target durch die Wahl des N2-Gehalts der Atmosphäre TaNx Schichten mit variablem Stickstoffgehalt im Bereich 30 0,66 s x < 1,39 abgeschieden werden können. Beispiel 3 Eine homogene Mischung aus einem Ta Metallpulver (66 Mol.%) und einem Ta3N5 Pulver 35 (34 Mol.%) wurde mittels Spark Plasma Sintern bei einer Temperatur von 1800°C und einem Druck von 30 MPa verdichtet. Es wurde eine feinkörnige, porenfreie Verdampferquelle mit einem N-Gehalt von 7,19 Gew.% erhalten. Beispiel 4 40 Eine homogene Mischung aus einem Ta Metallpulver (50 mol%) und einem TaN Pulver (50 mol%) wurde mittels HIPen bei einer Temperatur von 1600°C und einem Druck von 160 MPa verdichtet. Es wurde eine feinkörnige, homogene, porenfreie Verdampferquelle mit einem N-Gehalt von 3,72 Gew.% erhalten. 45 Ansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung einer TaNx Diffusionsbarriereschicht mit 0,5 < x s 1,67, so dadurch gekennzeichnet, dass als Verdampferquelle Tantalnitrid oder ein Tantalnitrid - Tantal Cermet mit einer Dichte > 99 % der theoretischen Dichte verwendet wird.
2. Verfahren zur Herstellung einer TaNx Diffusionsbarriereschicht nach Anspruch 1, dadurch 55 gekennzeichnet, dass als Verdampferquelle TaN, Ta2N, Ta3N5 oder Mischungen daraus 5 AT 008 066 U1 verwendet werden.
3. Verfahren zur Herstellung einer TaNx Diffusionsbarriereschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdampferquelle ein Tantalnitrid - Tantal Cermet mit einem Ge- 5 samt Stickstoff Gehalt zwischen 10 At.% und 55 At.% verwendet wird.
4. Verfahren zur Herstellung einer TaNx Diffusionsbarriereschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinheit der Verdampferquelle > 99,95 Gew.% ist. 10
5. Verfahren zur Herstellung einer TaNx Diffusionsbarriereschicht nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinheit der Verdampferquelle > 99,99 Gew.% ist.
6. Verfahren zur Herstellung einer TaNx Diffusionsbarriereschicht nach einem der Ansprüche 15 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriereschicht mittels DC-Sputtern, DC-Pulsed-Sputtern, MF-Sputtern oder HF-Sputtern in einer Ar-, einer N2 oder einer Ar+N2-Atmosphäre hergestellt wird.
7. Verfahren zur Herstellung einer TaNx Diffusionsbarriereschicht nach einem der Ansprüche 20 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriereschicht mittels Lichtbogenver dampfen in einer Ar-, einer N2 oder einer Ar+N2-Atmosphäre hergestellt wird.
8. Verdampferquelle bestehend aus Tantalnitrid oder einem Tantalnitrid - Tantal Cermet mit einem Gesamt Stickstoff Gehalt zwischen 10 At.% und 55 At.%, wobei die Dichte > 99 % 25 der theoretischen Dichte und die Reinheit > 99,95 Gew.% beträgt.
9. Verdampferquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinheit ä 99,99 Gew.% beträgt.
10. Verfahren zur Herstellung einer Verdampferquelle nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge kennzeichnet, dass die Verdampferquelle mittels Heisspressen bei einer Temperatur > 1600°C in einer N2-Atmosphäre mit 1 bis 5 bar und einem Pressdruck von >10 MPa hergestellt wird.
11. Verfahren zur Herstellung einer Verdampferquelle nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge kennzeichnet, dass die Verdampferquelle mittels Spark-Plasma Sintern bei einer Temperatur > 1600°C in einer N2-Atmosphäre mit 1 bis 5 bar und einem Pressdruck von >10 MPa hergestellt wird.
12. Verfahren zur Herstellung einer Verdampferquelle nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge kennzeichnet, dass die Verdampferquelle mittels heißisostatischem Pressen bei einer Temperatur > 1600°C und einem Pressdruck von > 50 MPa hergestellt wird. 45 Hiezu 2 Bia!! Zeichnungen 50 55