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Die
Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung einer
Kupferverdrahtung in einem Halbleiterbauelement und insbesondere
ein Verfahren zur Herstellung einer Kupferverdrahtung in einem Halbleiterbauelement,
bei dem eine Kupferdünnschicht
mit guter Schichtqualität
erhalten wird, indem man sich der Verfahrenstechnik der metallorganisch-chemischen
Abscheidung aus der Dampfphase (MOCVD) bedient, wobei 1,1,1,5,5,5-Hexafluoro-2,4-pentadionato-(3,3-dimethyl-1-buten)kupfer(I) (nachstehend
als (hfac)Cu(DMB) bezeichnet) als Kupfervorläufer verwendet wird.
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Da
in der Halbleiterindustrie eine Tendenz zu einer Ultragrossmassstab-Integration
(ULSI) besteht, verringert sich im Hinblick auf eine Verbesserung
der Leistungsmerkmale und der Zuverlässigkeit die Geometrie der
Vorrichtungen auf den Subhalbmikronbereich bei zunehmender Schaltungsdichte.
Aus diesen Gründen
wird üblicherweise
eine Kupferdünnschicht als
Verdrahtungs- bzw. Verbindungsmaterial, das für eine integrierte Schaltung
geeignet ist, verwendet, da der Schmelzpunkt der Kupferdünnschicht
bei der Herstellung einer Metallverdrahtung in einem Halbleiterbauelement
höher als
der einer Aluminiumdünnschicht
ist, wodurch die Zuverlässigkeit
eines Halbleiterbauelements aufgrund seiner höheren Beständigkeit gegen eine Elektromigration
(EM) verbessert wird und auch die Signalübertragungsgeschwindigkeit
aufgrund des geringeren spezifischen Widerstands erhöht wird.
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Unter
den Verfahren zur Herstellung einer Kupferverdrahtung stellt das
Kupferabscheidungsverfahren ein wichtiges Verfahren zur Herstellung grösserer Bauelemente
und zur Erzielung eines höheren
Integrationsgrads dar. Dabei werden verschiedene Abscheidungsverfahren
verwendet, z. B. die physikalische Abscheidung aus der Dampfphase (PVD),
die Elektroplattierung, die stromlose Plattierung, das MOCVD-Verfahren
und dergl. Da bei den Abscheidungstechniken die Kupferabscheidung durch
das MOCVD-Verfahren in erheblichem Masse durch einen Kupfervorläufer beeinflusst
wird, ist es notwendig, einen leicht abzuscheidenden Kupfervorläufer zu
entwickeln und ferner ein Abgabesystem zu entwickeln, mit dem das
Kupfer in sicherer Weise bewegt werden kann.
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Die
Kupferabscheidung nach dem MOCVD-Verfahren kann sich folgender Systeme
bedienen: Flüssigkeitsabgabesystem
(nachstehend als LDS bezeichnet) eines Bubbler-Verfahrens, LDS,
z. B. direkte Flüssigkeitseinspritzung
(nachstehend als DLI bezeichnet), oder LDS, z. B. ein Kontrollverdampfungsmischer
(nachstehend als CEM bezeichnet). Es können auch verschiedene LDS-Typen
mit einem Verdampfer vom Düsentyp
oder vom Sprühtyp verwendet
werden. Beim LDS-Verfahren wird eine als Vorläufer bezeichnete kupferhaltige
Verbindung unter Ausbildung einer Kupferabscheidung abgebaut. Als
Kupfervorläufer
zur Verwendung im MOCVD-Verfahren
wurden nach der Entwicklung von zweiwertigen Kupferverbindungen
(CuII), wie 1,1,1,5,5,5-Hexafluoro-2,4-pentadionato-kupfer(II), Cu(hfac)2, eine Verbindung mit einem niederen Dampfdruck,
einwertige Kupferverbindungen (CuI) entwickelt,
die eine hohe Abscheidungsgeschwindigkeit aufweisen, da sie einen
höheren
Dampfdruck als zweiwertige Kupferverbindungen besitzen und die Abscheidung
einer hochwertigen Kupferdünnschicht bei
niedrigen Temperaturen von 150–250°C erlauben.
1,1,1,5,5,5-Hexafluoro-2,4-pentadionato(trimethylvinylsilan)-kupfer(I)
(nachstehend als (hfac)Cu(TMVS) bezeichnet) stellt von den bisher entwickelten
verschiedenen einwertigen Kupferverbindungen einen repräsentativen
Kupfervorläufer
zur Verwendung beim MOCVD-Verfahren dar, der in grossem Umfang verwendet
wird, da er bei Raumtemperatur in flüssiger Phase verbleibt und
die Bildung einer hochwertigen Kupferdünnschicht bei niederen Temperaturen
erlaubt. Trotz dieser Vorteile besteht bei (hfac)Cu(TMVS) die Schwierigkeit,
dass diese Verbindung bei Raumtemperatur abgebaut wird. Somit besteht
bei (hfac)Cu(TMVS) eine Schwierigkeit beim Wiederauftreten, wenn
sie beim Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements eingesetzt
wird. Somit zeigt (hfac)Cu(TMVS) unter den bisher entwickelten verschiedenen
Vorläufern
einen hohen Dampfdruck, erweist sich aber in bezug auf die Gewährleistung
des Wiederauftretens beim herkömmlichen
LDS-Verfahren als minderwertig. Somit zeigt (hfac)Cu(TMVS) erhebliche
Schwierigkeiten bei der Gewährleistung
des Wiederauftretens, sofern nicht ein neues LDS-Verfahren entwickelt wird, das in sicherer
Weise durchgeführt
werden kann. Da ausserdem der Bereich zwischen der Verdampfungstemperatur
und der Kondensationstemperatur von (hfac)Cu(TMVS) äusserst
eng ist, besteht eine Schwierigkeit darin, die Temperatur konstant
zu halten. Ferner wurde berichtet, dass (hfac)Cu(TMVS) bei Verwendung
mit einem Stabilisator nur etwa 1 Jahr lang in sicherer Weise verwendet
werden kann.
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Um
die mit (hfac)Cu(TMVS) verbundenen Schwierigkeiten zu lösen, wurde
eine (hfac)Cu(DMB)-Verbindung als Vorläufer entwickelt. (hfac)Cu(DMB)
stellt eine neue Verbindung dar, die unter Verwendung von 3,3-Dimethyl-1-buten
(nachstehend als DMB bezeichnet) als Lewis-Basenligand entwickelt
wurde. Da die (hfac)Cu(DMB)-Verbindung anstelle einer Methylgruppe
von VTMS DMB mit niedrigem Molekulargewicht und hohem Dampfdruck als
Lewis-Basenligand aufweist, zeigt sie einen höheren Dampfdruck als (hfac)Cu(TMVS).
Somit stellt (hfac)Cu(DMB) einen guten Vorläufer dar, da es in signifikanter
Weise die schlechte Abscheidungsgeschwindigkeit, die eine der größten Schwierigkeiten bei
einem MOCVD-Cu-Vorläufer
darstellt, verbessern kann. Jedoch konnte (hfac)Cu(DMB) bisher nicht
im Markt eingeführt
werden, da keine MOCVD-Verfahrenstechnik unter Verwendung des (hfac)Cu(DMB)-Vorläufers in
einem herkömmlichen LDS
verfügbar
war.
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WO 99/14800 A1 beschreibt
ein Verfahren und einen Apparat für eine mehrstufige Verbindungserstellung
einer integrierten Halbleiterschaltung auf dem Gebiet der Halbleiter.
Beschrieben wir die Bildung von Kupferverbindungen unter Verwendung
eines MOCVD-Verfahrens oder PVD-Verfahrens. Als weiterer Verfahrensschritt
schließt
sich ein Plattierungsschritt an.
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US 5,893,752 A beschreibt
eine Halbleitervorrichtung, die ein Substrat umfasst, einen ersten leitenden
Film auf dem Substrat und einen zweiten leitenden Film auf dem ersten
leitenden Film. Der erste Film enthält ein feuerbeständiges Metall
und Stickstoff, wobei der zweite Film hauptsächlich Kupfer enthält.
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Kang,
Sang-Woo u. a.: (hfac)Cu(I)(MP) and (hfac)Cu(I)(DMB) for the chemical
vapor deposition of copper film; In: Thin Solid Films 350 (1999),
S. 10–13,
15. August 1999, beschreibt neue organometallische Vorläufer für MOCVD-Verfahren
zur Abscheidung von Kupfer.
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Kodas,
T.; Hampden-Smith, M.; The Chemistry of Metal CVD; VCH 1994, Kapitel
1, 4, 5, 9, ist ein Nachschlagewerk für diverse Metallverarbeitungsverfahren
und beschreibt unter anderem Kupfermetallisierung und PVD-Verfahren
und CVD-Verfahren.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur
Herstellung einer Kupferverdrahtung in einem Halbleiterbauelement
bereitzustellen, das nicht nur das Verbessern des Kupferabscheidungsverfahrens
ohne Entwicklung eines neuen LDS, sondern auch die Abscheidung einer
Kupferdünnschicht
mit hochwertigen Schichteigenschaften ermöglicht, indem man die Bedingungen
der Kupferabscheidungseinrichtung in optimaler Weise einstellt und
somit eine MOCVD-Verfahrenstechnik
bereitstellt, bei der (hfac)Cu(DMB) als Vorläufer verwendet wird.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss ein Verfahren zur Herstellung
einer Kupferverdrahtung in einem Halbleiterbauelement bereitgestellt,
das durch folgende Stufen gekennzeichnet ist:
- – Bildung
einer Zwischenisolierschicht auf einem Halbleiterschichtträger, in
dem verschiedene Komponenten zur Bildung eines Halbleiterbauelements
ausgebildet werden, Bildung eines Kontaktloches und eines Grabens
auf der Zwischenisolierschicht und anschliessende Bildung einer Diffusionssperrschicht
auf der Oberfläche
der Zwischenisolierschicht mit dem Kontaktloch und dem Graben;
- – in
situ-Abscheidung einer ersten Cu-Anzuchtschicht auf der Oberfläche des
Kontaktloches und des Grabens, auf der die Diffusionssperrschicht abgeschieden
ist, durch ein physikalisches Abscheidungsverfahren aus der Dampfphase;
- – Abscheidung
einer zweiten Cu-Anzuchtschicht auf der Oberfläche des Kontaktloches und des Grabens,
auf der die erste Cu-Anzuchtschicht abgeschieden ist, unter Verwendung
eines (hfac)Cu(DMB)-Vorläufers
durch das metallorganisch-chemische Abscheidungsverfahren aus der Dampfphase;
- – Plattieren
von Cu, so dass das Kontaktloch und der Graben, auf der die erste
und zweite Cu-Anzuchtschicht übereinander
angeordnet sind, in ausreichendem Masse bedeckt werden können, durch
ein Plattierungsverfahren; und
- – Durchführung eines
chemisch-mechanischen Polierverfahrens zur Bildung einer Kupferverdrahtung.
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Zur
Abscheidung der Kupferanzuchtschicht unter Verwendung des (hfac)Cu(DMB)-Vorläufers durch
das MOCVD-Verfahren bedient man sich einer Kupferabscheidungsvorrichtung
mit einer Reaktionskammer und einem Flüssigkeitsabgabesystem. Das Flüssigkeitsabgabesystem
umfasst eine Bubbler-Vorrichtung, eine direkte Flüssigkeitseinspritzung, einen
Kontrollverdampfungsmischer, ein System mit einem Verdampfer vom
Düsentyp
und ein System mit einem Verdampfer vom Sprühtyp.
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Die
Abscheidungsbedingungen für
die Kupferanzuchtschicht umfassen die Aufrechterhaltung der Temperatur
einer Einrichtung zum Verdampfen des (hfac)Cu(DMB)-Vorläufers in
einem Flüssigkeitsabgabesystem,
z. B. einem Kanister einer Bubbler-Vorrichtung, einem Verdampfer
einer direkten Flüssigkeitseinspritzung,
einem Steuerventil eines Verdampfers in einem Kontrollverdampfungsmischer und
einem Verdampfer vom Düsentyp
oder vom Sprühtyp
im Bereich von 20–120°C. Ferner
werden unter den Bedingungen der Abscheidung der Kupferanzuchtschicht
die Temperatur von Gasleitungen und Versorgungsleitungen aus dem
Flüssigkeitsabgabesystem
in die Reaktionskammer sowie die Innentemperatur und die Temperatur
des Brausekopfes in der Reaktionskammer an die Verdampfungstemperatur
des (hfac)Cu(DMB)-Vorläufers
angeglichen.
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Ferner
werden folgende Abscheidungsbedingungen für die Kupferanzuchtschicht
eingehalten: Temperatur der Aufnahmeplatte in der Reaktionskammer
im Bereich von 120–280°C, Innendruck
der Reaktionskammer im Bereich von 13,3 bis 665 Pa, Abstand zwischen
dem Brausekopf und der Aufnahmeplatte in der Reaktionskammer 1–50 mm und
Strömungsgeschwindigkeit
des (hfac)Cu(DMB)-Vorläufers
im Bereich von 0,1–1,0
sccm. Dabei ist sccm der Standardkubikzentimeter pro Minute im Normzustand.
Die vorerwähnten
Aspekte und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung.
Es zeigen:
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1 ein
Fliessdiagramm zur Erläuterung eines
erfindungsgemässen
Verfahrens zur Herstellung einer Kupferverdrahtung in einem Halbleiterbauelement;
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2 eine
schematische Darstellung einer Bubbler-Vorrichtung mit einer Reaktionskammer
zur Erläuterung
eines erfindungsgemässen
Verfahrens zur Herstellung einer Kupferverdrahtung in einem Halbleiterbauelement;
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3 eine
schematische Darstellung einer DLI unter Einschluss einer Reaktionskammer
zur Erläuterung
eines erfindungsgemässen
Verfahrens zur Herstellung einer Kupferverdrahtung in einem Halbleiterbauelement;
und
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4 eine
schematische Darstellung eines CEM unter Einschluss einer Reaktionskammer
zur Erläuterung
eines erfindungsgemässen
Verfahrens zur Herstellung einer Kupferverdrahtung in einem Halbleiterbauelement.
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Nachstehend
wird die vorliegende Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung näher
erläutert.
In den Figuren werden zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher
Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt
ein Fliessdiagramm zur Erläuterung
eines erfindungsgemässen
Verfahrens zur Herstellung einer Kupferverdrahtung in einem Halbleiterbauelement.
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Das
erfindungsgemässe
Kupferabscheidungsverfahren umfasst folgende Stufen: Initialisierungsstufe 100 einer
Kupferabscheidungseinrichtung, Stufe der Beschickung 200 mit
einem Wafer, auf dem nach Beendigung der Initialisierungsstufe 100 Kupfer
in einer Reaktionskammer abgeschieden wird, Stufe der Einstellung
der Verfahrensbedingungen 300 in der Kupferabscheidungseinrichtung
nach Beendigung der Beschickungsstufe 200 und Stufe der
Abscheidung 400 von Kupfer auf dem Wafer mittels des MOCVD-Verfahrens
unter Verwendung eines (hfac)Cu(DMB)-Vorläufers nach Beendigung der Stufe
der Einstellung der Verfahrensbedingungen 300.
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Unter
den vorerwähnten
Stufen stellt die Stufe der Einstellung 300 der Abscheidungsverfahrensbedingungen
in der Kupferabscheidungseinrichtung zur Lösung der erfindungsgemässen Aufgabe
eine wichtige Stufe dar. Anders ausgedrückt, kann die MOCVD-Verfahrenstechnik
unter Verwendung von (hfac)Cu(DMB) nur dann angewandt werden, wenn die
Abscheidungsverfahrensbedingungen in optimaler Weise eingestellt
werden.
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Um
die Abscheidungsverfahrensbedingungen in der Kupferabscheidungseinrichtung
in optimaler Weise einzustellen, ist es erforderlich, die Eigenschaften
der Kupferabscheidungseinrichtung sowie die Eigenschaften der als
Kupfervorläufer
verwendeten (hfac)Cu(DMB)-Verbindung zu kennen.
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Zunächst werden
die Eigenschaften der als Kupfervorläufer verwendeten (hfac)Cu(DMB)-Verbindung aufgeführt.
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Beim
Vergleich der Struktur des (hfac)Cu(DMB)-Vorläufers mit der des (hfac)Cu(TMVS)-Vorläufers gibt
es keine Strukturunterschiede, mit der Ausnahme, dass beim (hfac)Cu(DMB)-Vorläufer in
der Mitte des neutralen Liganden Si durch C ersetzt ist. Betrachtet
man das Ergebnis von TGA/DSC am (hfac)Cu(TMVS)-Vorläufer und
am (hfac)Cu(DMB)-Vorläufer,
so lässt
sich feststellen, dass der (hfac)Cu(TMVS)-Vorläufer bei einer Temperatur von
63°C abgebaut
wird, während der
(hfac)Cu(DMB)-Vorläufer
bei einer Temperatur von etwa 90°C
abgebaut wird. Somit ist ersichtlich, dass der (hfac)Cu(DMB)-Vorläufer eine
sehr gute thermische Stabilität
aufweist. Eine der wichtigsten Eigenschaften, mit der die thermische
Stabilität
die Eigenschaften eines Vorläufers
beeinflusst, ist der Dampfdruck. Betrachtet man das Ergebnis der Dampfdruckmessung,
so wird festgestellt, dass der (hfac)Cu(DMB)-Vorläufer einen
Dampfdruck aufweist, der um nahezu eine Grössenordnung höher als
der Dampfdruck des (hfac)Cu(TMVS)-Vorläufers liegt.
Konkret lässt
sich feststellen, dass der Dampfdruck des (hfac)Cu(TMVS)-Vorläufers bei
55°C 89,31
Pa beträgt,
während
der Wert des (hfac)Cu(DMB)-Vorläufers
2,01 bei einer Temperatur von 43,5°C beträgt, 413,23 Pa bei einer Temperatur von
54°C, 5,26
bei einer Temperatur von 66°C, 1166,38
Pa bei einer Temperatur von 78°C
und 1723,57 Pa bei einer Temperatur von 88°C. Ferner wird festgestellt,
dass der (hfac)Cu(DMB)-Vorläufer bei
einer Temperatur von etwa 96°C
Abbau-Abscheidungsprodukte erzeugt. Somit ist ersichtlich, dass
die Abbautemperatur des (hfac)Cu(DMB)-Vorläufers über der des (hfac)Cu(TMVS)-Vorläufers liegt.
Im Hinblick auf diese Ergebnisse lässt sich feststellen, dass
der (hfac)Cu(DMB)-Vorläufer aufgrund
seiner im Vergleich zum (hfac)Cu(TMVS)-Vorläufer wesentlich höheren Abbautemperatur
die Möglichkeit
bietet, dass eine wesentlich höhere
Verdampfungstemperatur verfügbar
wird. Da der (hfac)Cu(DMB)-Vorläufer ferner
einen wesentlich höheren
Dampfdruck aufweist, lässt
sich leicht eine Abscheidungsgeschwindigkeit von mehr als 100 nm/min
erreichen.
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Die
Eigenschaften der Kupferabscheidungseinrichtung zur Durchführung des
MOCVD-Verfahrens
unter Verwendung von (hfac)Cu(DMB) sind folgende:
Die im MOCVD-Verfahren
verwendete Kupferabscheidungseinrichtung besteht im allgemeinen
aus dem LDS und einer Reaktionskammer. Ein derzeit zur Aufnahme
eines Kupfervorläufers
verwendetes repräsentatives
LDS umfasst eine Bubbler-Vorrichtung, DLI, CEM, LDS mit einem Verdampfer
vom Düsentyp
oder Sprühtyp
und dergl.
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2 ist
eine schematische Darstellung einer Bubbler-Vorrichtung unter Einschluss
einer Reaktionskammer zur Erläuterung
eines erfindungsgemässen
Verfahrens zur Herstellung einer Kupferverdrahtung in einem Halbleiterbauelement.
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Die
Bubbler-Vorrichtung 10 umfasst eine Trägergas-Zufuhrleitung 11,
einen Kanister 12 und eine Verdampfungsgas-Einlauf-Auslauf-Leitung 14. Das
MOCVD-Verfahren unter Verwendung der Bubbler-Vorrichtung 10 umfasst
das Einführen
eines Trägergases über die
Trägergas-Einlaufleitung 11 in
den Kanister 12, das Vermischen des eingeführten Trägergases
mit einem im Kanister 12 enthaltenen Metall-Flüssigkeitsmaterial 13 in
einem bestimmten Verhältnis
und das anschliessende Einleiten des gemischten Trägergases
in die Reaktionskammer 890 über die Verdampfungsgas-Einlauf-Auslauf-Leitung 14.
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Die
Reaktionskammer 890 besteht aus dem Brausekopf 80 zum
Versprühen
des aus der Bubbler-Vorrichtung 10 zugeführten verdampften
Materials und einer Aufnahmeplatte 90 zum Beladen mit einem
Wafer 111.
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In
der Bubbler-Vorrichtung 10 wird das Verhältnis des
Trägergases
zum Metall-Flüssigkeitsmaterial
durch die Strömungsgeschwindigkeit
des Trägergases,
die Temperatur der Bubbler-Vorrichtung und den Innendruck der Bubbler-Vorrichtung
festgelegt. Dieser Typ der Bubbler-Vorrichtung eignet sich nicht
zur Verwendung für
ein Flüssigkeitsmaterial
mit einem geringen Dampfdruck, z. B. einem Kupfer-Flüssigkeitsmaterial.
Insbesondere aufgrund der Tatsache, dass die Temperatur der Bubbler-Vorrichtung
konstant gehalten werden muss, wird das Kupfer-Flüssigkeitsmaterial
abgebaut, so dass daraus Teilchen erzeugt werden. Somit entstehen
Schwierigkeiten insofern, als dadurch in nachteiliger Weise die Halbleiterabscheidungsschicht
beeinflusst, das Wiederauftreten verringert und eine sehr langsame
Abscheidungsgeschwindigkeit verursacht werden und dergl.
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3 ist
eine schematische Darstellung einer DLI mit einer Reaktionskammer
zur Erläuterung eines
erfindungsgemässen
Verfahrens zur Herstellung einer Kupferverdrahtung in einem Halbleiterbauelement.
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Die
DLI 230 besteht aus einer Mikropumpe 20 und einem
Verdampfer 30 und weist eine Bauart auf, bei der Flüssigkeitsmaterialien
von einer Metallscheibe 32 verdampft werden. Das Flüssigkeitsmaterial
aus einem Fläschchen 19 wird
auf einen Druck von etwa 14 000 Pa (20 psi) gebracht und anschliessend über ein
erstes Ventil 21 der Mikropumpe 20 zugeführt. Während zu
diesem Zeitpunkt ein erster Schrittmotor 22 einen ersten
Kolben 23 anhebt, wird der erste Zylinder 24 mit
Flüssigkeitsmaterial
gefüllt. Sodann
erfolgen beim Schliessen des ersten Ventils 21 gleichzeitig
folgende Vorgänge:
Ein zweites Ventil 25 wird geöffnet, der erste Kolben 23 senkt
sich und der zweite Schrittmotor 26 hebt den zweiten Kolben 27 an,
so dass das in den ersten Zylinder 24 eingefüllte Flüssigkeitsmaterial über das
zweite Ventil 25 den zweiten Zylinder 28 füllt. Anschliessend
wird beim Schliessen des zweiten Ventils 25 das dritte Ventil 29 geöffnet und
der zweite Kolben 27 gesenkt, wodurch das Flüssigkeitsmaterial über das
dritte Ventil 29 in den Verdampfer 30 übertragen
wird. Zu diesem Zeitpunkt füllt
beim Öffnen
des ersten Ventils 21 und beim Heben des ersten Kolbens
das Flüssigkeitsmaterial
erneut den ersten Zylinder 24. Unter Wiederholung dieser
Vorgänge
wird das Flüssigkeitsmaterial über die
Mikropumpe 20 dem Verdampfer 30 zugeführt. Die
Durchflusssteuerung wird durch die Anzahl der Zyklen des ersten
und zweiten Schrittmotors 22 und 26 festgelegt.
Das auf diese Weise aus der Mikropumpe 20 zugeführte Flüssigkeitsmaterial wird über das
Abgabeventil 31, das in der Flüssigkeitseinlaufleitung 34 vorgesehen
ist, den 99 Metallscheiben 32 zugeführt und anschliessend mittels
einer Heizzone 33 verdampft. Das verdampfte Gas wird über die
Verdampfungsgas-Einlauf/Auslauf-Leitung 36 zusammen mit
einem Trägergas,
das über die
Trägergas-Einlaufleitung 35 zugeführt wird,
in die Reaktionskammer 890 eingeleitet.
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Die
Reaktionskammer 890 besteht aus einem Brausekopf 80 zum
Versprühen
des aus der DLI 230 zugeführten verdampften Materials
und einer Aufnahmeplatte 90 zum Beladen mit dem Wafer 111.
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Die
DLI 230 ist so aufgebaut, dass das Flüssigkeitsmaterial zwischen
die gestapelten 99 Metallplatten 32 eingeführt und
anschliessend durch den Verdampfer 30 verdampft wird. Somit
weist die DLI einen günstigen
Wärmeaustausch-Wirkungsgrad auf,
da sie einen sehr ausgeprägten
Wärmeaustausch
gewährleistet
und das eingeführte
Flüssigkeitsmaterial
mit mehreren 10 bis mehrere 100 psi übertragen kann. Da jedoch der
Innendruck des Verdampfers 30 auf einem sehr niederen Druck
von etwa einigen Torr gehalten wird, kann die DLI den Volumenausdehnungseffekt
in Abhängigkeit
von der Druckdifferenz ausüben.
Somit kann die DLI den Verdampfungswirkungsgrad auf ein Maximum
bringen. Die DLI ist jedoch insofern nachteilig, als es schwierig ist,
den Druck des Flüssigkeitsmaterials
konstant zu halten und es sehr lange dauert (einige 10 Minuten) bis
der Druck des Flüssigkeitsmaterials
sich im Gleichgewichtszustand befindet, da die Vorrichtung darauf
angewiesen ist, dass das zugeführte
Flüssigkeitsmaterial
die Metallplatten 32 treibt, und sie so konstruiert ist,
dass die Mikropumpe 20 den Druck erzeugen kann. Wenn ferner
das Flüssigkeitsmaterial in
einem Anfangszustand abgesaugt wird, besteht die Schwierigkeit,
dass der Verdampfer 30 sich verstopft, da eine grosse Menge
an Flüssigkeitsmaterialien,
die den Metallplatten 32 zugeführt werden, in unverdampftem
Zustand verbleibt.
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4 ist
eine schematische Darstellung eines CEM unter Einschluss einer Reaktionskammer zur
Erläuterung
eines erfindungsgemässen
Verfahrens zur Herstellung einer Kupferverdrahtung in einem Halbleiterbauelement.
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Der
CEM 567 besteht aus einer Flüssigkeitsmassen-Durchflusssteuervorrichtung 49 (nachstehend
als LMFC bezeichnet) und einem Verdampfer 50, in dem ein
Flüssigkeitsmaterial
an einem Wärmetauscher 70 verdampft
wird. Der Verdampfer 50 besteht aus einem Steuerventil 60 und
einem Wärmetauscher 70.
Das Steuerventil 60 besteht aus einer Düse 61, einem Mischer 62 und
einer Betätigungsvorrichtung 63.
Es umfasst eine Flüssigkeitseinlaufleitung 64 zum
Zuführen
eines Flüssigkeitsmaterials, eine
Trägergas-Einlaufleitung 65 zum
Zuführen
eines Trägergases
und eine Flüssigkeitsaustrittsleitung 66. Der
Wärmetauscher 70 ist
mit einem Spiralrohr 71 versehen. Wenn das Trägergas den
Mischer 62 durchlauft, entsteht eine starke Spiralströmung, so dass
das durch die Düse 61 tretende
Flüssigkeitsmaterial
in Form eines Nebels auf den Wärmetauscher 70 gebracht
wird. Das im Mischer 62 mit dem Trägergas vermischte Flüssigkeitsmaterial
wird während des
Durchgangs durch das Spiralrohr 71 verdampft. Anschliessend
wird das verdampfte Gas über
die Verdampfungsgas-Einlauf/Auslauf-Leitung 72 der Reaktionskammer 890 zugeführt.
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Die
Reaktionskammer 890 besteht aus einem Brausekopf 80 zum
Versprühen
des aus dem CEM 567 zugeführten verdampften Materials
und einer Aufnahmeplatte 90 zum Beladen mit dem Wafer 111.
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Im
Verdampfer 50 des CEM 567 kommt es kaum zum Verstopfen
der Düse 61,
da diese nicht direkt erwärmt
wird. Da jedoch die Düse
eine sehr geringe Leitfähigkeit
aufweist und es zur Verdampfung entlang des Spiralrohrs 71 kommt,
besteht eine Schwierigkeit darin, dass aufgrund von Kondensation und
Abbau des Flüssigkeitsmaterials
leicht Teilchen entstehen.
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Im
Fall der Abscheidung von Kupfer durch das MOCVD-Verfahren unter
Verwendung von (hfac)Cu(DMB) als Kupfervorläufer und der in 2 dargestellten,
mit der Reaktionskammer ausgestatteten Bubbler-Vorrichtung 10 ergeben
sich folgende Kupferabscheidungs-Verfahrensbedingungen
zur Erzielung des Wiederauftretens des Kupferabscheidungsverfahrens:
Um
die als Kupfervorläufer
verwendete (hfac)Cu(DMB)-Verbindung zu verdampfen, wird die Temperatur
des Kanisters 12 im Bereich von 20–120°C gehalten. Die über die
Trägergas-Einlaufleitung 11 in
den Kanister 12 eingeleiteten Trägergase können Helium (He), Wasserstoff
(H2), Argon (Ar) und dergl. umfassen. Die
Strömungsgeschwindigkeit der
Gase liegt im Bereich von 10–700
sccm. Um die Leitfähigkeit
der (hfac)Cu(DMB)-Verbindung zu verbessern, während ein Abbau und die Kondensation der
Verbindung, die im Kanister 12 verdampft wird, verhindert
werden, werden die Temperaturen sämtlicher Gasleitungen und Versorgungsleitungen
aus dem Kanister 12 in die Reaktionskammer 890 auf gleicher
Höhe wie
die Temperatur des Kanisters 12 gehalten. Um Verunreinigungen
vollständig
zu evakuieren, während
die in die Reaktionskammer 890 eingeleitete verdampfte
(hfac)Cu(DMB)-Verbindung abgebaut wird und anschliessend reines
Kupfer auf dem Wafer 111 abgeschieden werden kann, werden die
Innentemperatur der Reaktionskammer 890 und die Temperatur
des Brausekopfes 80 auf gleicher Höhe wie die Temperatur des Kanisters 12 gehalten. Zu
diesem Zeitpunkt wird die Temperatur der Aufnahmeplatte 90,
die mit dem Wafer 111 beschickt wird, im Bereich von 120–280°C gehalten.
Ferner wird der Innendruck der Reaktionskammer 890 im Bereich
von 13,3 bis 665 Pa gehalten. Der Abstand zwischen dem Brausekopf 80 und
der Aufnahmeplatte 90 beträgt 1–50 mm. Das als Kupfervorläufer verwendete (hfac)Cu(DMB)
kann als solches ohne jegliche Additive eingesetzt werden. Wenn
jedoch im (hfac)Cu(DMB) Additive verwendet werden, können DMB
in einer Menge von 0,1–30%
oder Hhfac in einer Menge von 0,1–20% bzw. eine Kombination
aus DMB und Hhfac als Additive zugegeben werden.
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Im
Fall der Abscheidung von Kupfer durch das MOCVD-Verfahren unter
Verwendung von (hfac)Cu(DMB) als Kupfervorläufer und der in 3 dargestellten,
mit der Reaktionskammer 890 versehenen DLI 230 ergeben
sich folgende Kupferabscheidungs-Verfahrensbedingungen zum Erzielen des
Wiederauftretens des Kupferabscheidungsverfahrens:
Um die als
Kupfervorläufer
verwendete (hfac)Cu(DMB)-Verbindung zu verdampfen wird die Temperatur
des Verdampfers 30 im Bereich von 20–120°C gehalten. Die Temperatur des
in den Verdampfer 30 eingeleiteten Trägergases wird im Bereich von
40–140°C, d. h.
20°C über der
Temperatur des Verdampfers 30, gehalten, so dass die Verbindung
vollständig
evakuiert werden kann. Dabei können
die verfügbaren
Trägergase
Helium (He), Wasserstoff (H2), Argon (Ar)
und dergl. umfassen. Die Strömungsgeschwindigkeit
der Gase kann im Bereich von 10–700
sccm liegen. Um die Leitfähigkeit der
(hfac)Cu(DMB)-Verbindung zu verbessern, während der Abbau und die Kondensation
der Verbindung, die am Verdampfer 30 verdampft wird, verhindert
wird, werden sämtliche
Gasleitungen und Versorgungsleitungen aus dem Verdampfer 30 in
die Reaktionskammer 890 auf der gleichen Temperatur wie der
Verdampfer 30 gehalten. Um Verunreinigungen vollständig zu
evakuieren, während
die in die Reaktionskammer 890 eingeleitete, verdampfte (hfac)Cu(DMB)-Verbindung
abgebaut wird und anschliessend reines Kupfer auf dem Wafer 111 abgeschieden
wird, werden die Innentemperatur der Reaktionskammer 890 und
die Temperatur des Brausekopfes 80 auf der gleichen Höhe wie die
Temperatur des Verdampfers 30 gehalten. Dabei wird die
Temperatur der Aufnahmeplatte 90, die mit dem Wafer 111 beschickt
wird, im Bereich von 120–280°C gehalten. Ferner
wird der Innendruck der Reaktionskammer 890 im Bereich
von 13,3 bis 665 Pa gehalten. Der Abstand zwischen dem Brausekopf 80 und
der Aufnahmeplatte 90 beträgt 1–50 mm. Die Strömungsgeschwindigkeit
der (hfac)Cu(DMB)-Verbindung liegt im Bereich von 0,1–1,0 sccm.
Beim vorstehenden Verfahren kann die als Kupfervorläufer verwendete (hfac)Cu(DMB)-Verbindung ohne jegliche
Additive verwendet werden. Bei Verwendung von Additiven in der (hfac)Cu(DMB)-Verbindung
können
DMB in einer Menge von 0,1–30%
oder Hhfac in einer Menge von 0,1–20% bzw. eine Kombination
von DMB oder Hhfac als Additive zugegeben werden.
-
Im
Fall der Abscheidung von Kupfer durch das MOCVD-Verfahren unter
Verwendung von (hfac)Cu(DMB) als Kupfervorläufer und des in 4 dargestellten,
mit der Reaktionskammer 890 versehenen CEM 567 ergeben
sich folgende Kupferabscheidungs-Verfahrensbedingungen zur Erzielung des
Wiederauftretens des Kupferabscheidungsverfahrens:
Wenn das
Trägergas
zum Verdampfen der (hfac)Cu(DMB)-Verbindung den Mischer 62 im
Verdampfer 50 durchläuft,
bildet sich eine starke Spiralströmung, so dass die durch die
Düse 61 tretende (hfac)Cu(DMB)-Verbindung
in Form eines Nebels auf den Wärmetauscher 70 übertragen
wird. Somit wird die Temperatur des Wärmetauschers 70 im
Bereich von 20–120°C gehalten,
während
die Temperatur des Steuerventils 60 auf Raumtemperatur
gehalten wird. Die Temperatur des in das Steuerventil 60 des
Verdampfers 50 eingeleiteten Trägergases kann über oder
unter der Temperatur des Wärmetauschers 70 des
Verdampfers 50 gehalten werden. Dabei können die verfügbaren Trägergase
Helium (He), Wasserstoff (H2), Argon (Ar)
und dergl. umfassen. Die Strömungsgeschwindigkeit
der Gase kann im Bereich von 10–700
sccm liegen. Um die Leitfähigkeit
der (hfac)Cu(DMB)-Verbindung zu verbessern, während der Abbau und die Kondensation
der Verbindung, die am Wärmetauscher 70 des
Verdampfers 50 verdampft wird, verhindert wird, werden
sämtliche
Gasleitungen und Versorgungsleitungen aus dem Verdampfer 50 in
die Reaktionskammer 890 auf der gleichen Temperatur wie
der Wärmetauscher 70 des
Verdampfers 50 oder um 5–20°C höher gehalten. Um Verunreinigungen
vollständig
zu evakuieren, während
die in die Reaktionskammer 890 eingeleitete, verdampfte
(hfac)Cu(DMB)-Verbindung abgebaut wird und anschliessend reines
Kupfer auf dem Wafer 111 abgeschieden werden kann, werden
die Innentemperatur der Reaktionskammer 890 und die Temperatur
des Brausekopfes 80 auf der gleichen Höhe wie die Temperatur des Wärmetauschers 70 des
Verdampfers 50 gehalten. Dabei wird die Temperatur der Aufnahmeplatte 90,
die mit dem Wafer 111 beschickt wird, im Bereich von 120–280°C gehalten.
Ferner wird der Innendruck der Reaktionskammer 890 im Bereich
von 13,3 bis 665 Pa gehalten. Der Abstand zwischen dem Brausekopf 80 und
der Aufnahmeplatte 90 beträgt 1–50 mm. Die Strömungsgeschwindigkeit
der als Kupfervorläufer
verwendeten (hfac)Cu(DMB)-Verbindung liegt im Bereich von 0,1–1,0 sccm.
Beim vorstehenden Verfahren kann die als Kupfervorläufer verwendete (hfac)Cu(DMB)-Verbindung
ohne jegliche Additive verwendet werden. Wenn jedoch Additive mit
der (hfac)Cu(DMB)-Verbindung verwendet werden, so können DMB
in einer Menge von 0,1–30%
oder Hhfac in einer Menge von 0,1–20% bzw. eine Kombination
von DMB und Hhfac zugegeben werden.
-
Im
Fall der Abscheidung von Kupfer durch das MOCVD-Verfahren unter
Verwendung von (hfac)Cu(DMB) als Kupfervorläufer und eines Flüssigkeitsabgabesystems
mit einem Verdampfer vom Düsentyp
oder Sprühtyp,
wobei eine Reaktionskammer (nicht abgebildet) vorgesehen ist, ergeben
sich folgende Kupferabscheidungs-Verfahrensbedingungen für das Wiederauftreten
des Kupferabscheidungsverfahrens:
Die Temperatur des Verdampfers
zum Verdampfen der als Kupfervorläufer verwendeten (hfac)Cu(DMB)-Verbindung
wird im Bereich von 20–120°C gehalten.
Die Temperatur des in den Verdampfer eingeleiteten Trägergases
wird so gesteuert, dass sie im Bereich von 40–140°C liegt, was um 20°C über der
Temperatur des Verdampfers liegt, so dass die Verbindung vollständig evakuiert
werden kann. Dabei können
die verfügbaren
Trägergase
Helium (He), Wasserstoff (H2), Argon (Ar)
und dergl. umfassen. Die Strömungsgeschwindigkeit
der Gase liegt im Bereich von 10–700 sccm. Um die Leitfähigkeit
der (hfac)Cu(DMB)-Verbindung zu verbessern, während der Abbau und die Kondensation
der Verbindung, die im Verdampfer verdampft wird, verhindert wird,
werden sämtliche
Gasleitungen und Versorgungsleitungen aus dem Verdampfer in die
Reaktionskammer auf der gleichen Temperatur wie der Verdampfer gehalten.
Um Verunreinigungen vollständig
zu evakuieren, während
die in die Reaktionskammer eingeleitete, verdampfte (hfac)Cu(DMB)-Verbindung
abgebaut wird und anschliessend reines Kupfer auf dem Wafer abgeschieden
werden kann, werden die Innentemperatur der Reaktionskammer und
die Temperatur des Brausekopfes auf der gleichen Höhe wie die
Temperatur des Verdampfers gehalten. Dabei wird die Temperatur der
Aufnahmeplatte, die mit dem Wafer beschickt wird, im Bereich von
120–280°C gehalten.
Ferner wird der Innendruck der Reaktionskammer im Bereich von 13,3
bis 665 Pa gehalten. Der Abstand zwischen dem Brausekopf und der
Aufnahmeplatte beträgt
1–50 mm.
Die Strömungsgeschwindigkeit
der (hfac)Cu(DMB)-Verbindung liegt im Bereich von 0,1–1,0 sccm.
Beim vorstehenden Verfahren kann die als Kupfervorläufer verwendete (hfac)Cu(DMB)-Verbindung
ohne jegliche Zusätze verwendet
werden. Werden jedoch mit der (hfac)Cu(DMB)-Verbindung Zusätze verwendet,
so können
DMB in einer Menge von 0,1–30%
oder Hhfac in einer Menge von 0,1–20% bzw. eine Kombination
von DMB und Hhfac als Additive zugegeben werden.
-
Auf
der Grundlage der vorstehenden Kupferabscheidungsbedingungen wird
nachstehend ein Verfahren zur Herstellung einer Kupferverdrahtung
in einem Halbleiterbauelement in verschiedener Weise erläutert.
-
Erstens
wird im Fall der in situ-Abscheidung von Kupfer für eine Kupfer-Anzuchtschicht
unter Verwendung des (hfac)Cu(DMB)-Vorläufers mittels des MOCVD-Verfahrens
und der Abscheidung von Kupfer für
eine Kupferverdrahtung durch das Elektroplattierverfahren beispielhaft
ein Verfahren zur Herstellung einer Kupferverdrahtung in einem Halbleiterbauelement
auf folgende Weise durchgeführt:
Eine
Zwischenisolierschicht wird auf einem Halbleiterschichtträger gebildet,
in dem verschiedene Komponenten zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
ausgebildet werden. Anschliessend werden ein Kontaktloch und ein
Graben unter Verwendung einer Maske auf der Zwischenisolierschicht
ausgebildet und sodann einem Reinigungsverfahren unterworfen. Hierauf
wird eine Diffusionssperrschicht auf der Oberfläche der Zwischenisolierschicht,
die das Kontaktloch und den Graben umfasst, ausgebildet und eine
Cu-Anzuchtschicht in situ auf der Oberfläche des Kontaktloches und des
Grabens unter Verwendung des (hfac)Cu(DMB)-Vorläufers
mittels des MOCVD-Verfahrens abgeschieden. Cu wird auf die erhaltene
Oberfläche
durch das Elektroplattierverfahren plattiert, so dass das Kontaktloch
und der Graben, auf denen die Cu-Anzuchtschicht abgeschieden ist,
in ausreichendem Masse bedeckt werden können. bedecken. Nach Beendigung
der Cu-Plattierung wird die mit Cu plattierte Oberfläche einem
thermischen Wasserstoff-Reduktionsverfahren und sodann einem chemisch-mechanischen
Polierverfahren (nachstehend als CMP-Verfahren bezeichnet) unterworfen.
Auf diese Weise entsteht eine Kupferverdrahtung.
-
Beim
vorstehenden Verfahren wird die Isolierzwischenschicht aus einer
Isolierschicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante unter 2,7 gebildet. Das
Kontaktloch und der Graben werden mit einem doppelten Damaszierverfahren
ausgebildet. Das Reinigungsverfahren kann sich eines HF-Plasmas
(RF plasma) bedienen, sofern eine Bodenschicht aus Metallen, wie
Wolfram (W) oder Aluminium (Al), hergestellt ist. Sofern die Bodenschicht
aus Metallen, wie Kupfer (Cu), besteht, kann ein reaktives Reinigungsverfahren
herangezogen werden. Die Diffusionssperrschicht kann aus mindestens
einem der folgenden Bestandteile gebildet werden: Ionisations-PVD-TiN,
CVD-TiN, MOCVD-TiN, Ionisations-PVD-Ta, Ionisations-PVD-TaN, CVD-Ta, CVD-TaN
und CVD-WN.
-
Die
Cu-Anzuchtschicht wird in der Cu-Abscheidungseinrichtung, die aus
einer Reaktionskammer und einem LDS besteht, gebildet. Das LDS umfasst
eine Bubbler-Vorrichtung,
eine DLI und einen CEM. Ferner kann ein LDS mit einem Verdampfer vom
Düsentyp
oder vom Sprühtyp
und dergl. verwendet werden. Die Bedingungen der jeweiligen Kupferabscheidungseinrichtungen
zum Abscheiden der Cu-Anzuchtschicht entsprechen den vorstehend
erwähnten
Bedingungen. Somit erübrigt
sich die ausführliche
Beschreibung dieser Bedingungen.
-
Die
als Kupfervorläufer
verwendete (hfac)Cu(DMB)-Verbindung kann ohne jegliche Zusätze verwendet
werden. Wenn jedoch Zusätze
mit der (hfac)Cu(DMB)-Verbindung verwendet werden, so können DMB
in einer Menge von 0,1–30%
oder Hhfac in einer Menge von 0,1–20% bzw. eine Kombination
von DMB und Hhfac als Additive zugegeben werden. Das thermische
Wasserstoffreduktionsverfahren umfasst die Durchführung eines
thermischen Verfahrens im Bereich von Raumtemperatur bis 350°C für eine Zeitspanne
von 30–180
Minuten unter einer Wasserstoffreduktionsatmosphäre, um der (hfac)Cu(DMB)-Verbindung
eine Kornmorphologie zu verleihen. Dabei kann die Wasserstoffreduktionsatmosphäre nur Wasserstoff
(H2) oder ein Wasserstoffmischgas, wie H2 + Ar (1–95%), H2 +
N2 (1–95%) und
dergl., umfassen. Nach dem CMP-Verfahren kann ein Nachreinigungsverfahren
durchgeführt
werden. Das Reinigungsverfahren und das Verfahren zur Bildung der
Diffusionssperrschicht laufen in situ ohne zeitliche Verzögerung ab.
Ferner können
das Cu-Plattierungsverfahren und das thermische Wasserstoffreduktionsverfahren
in situ ohne zeitliche Verzögerung
durchgeführt
werden.
-
Nach
Bildung einer Cu-Anzuchtschicht wird der Wafer zur Cu-Elektroplattierung
aus der Abscheidungseinrichtung in die Elektroplattierkammer übertragen.
Die Cu-Elektroplattierung umfasst zwei Stufen, nämlich eine Stufe zur Entfernung
der an der Cu-Anzuchtschicht gebildeten Oxidschicht und eine Cu-Elektroplattierungsstufe,
oder drei Stufen, nämlich
eine Oberflächenreinigungsstufe
unter Einschluss einer Vorbenetzung, eine Stufe zur Bildung einer
Cu-Elektroplattierungs-Anzuchtschicht und eine Cu-Elektroplattierungsstufe.
Die Cu-Plattierungslösung kann
1–100
g/Liter H2SO4, 1–200 g/Liter CuSO4, 500 ppm HCl und dergl. sowie 1–20 ml/Liter Additive
und dergl. enthalten. Die Elektroplattierungstemperatur beträgt 0–80°C. Bei der
Oberflächenreinigungsstufe,
die eine Vorbenetzung umfasst, handelt es sich um eine Stufe mit
einer Verweilzeit von 1 Sekunde bis 2 Minuten, beginnend zum Zeitpunkt,
an dem der Elektrolyt aus der Kammer eingeleitet wird, um den Wafer
zu erreichen. Beim Cu-Elektroplattierungsverfahren
kann das Stromversorgungsverfahren ein Gleichstromplattierungsverfahren,
ein zweistufiges Gleichstromplattierungsverfahren, ein mehrstufiges
Gleichstromplattierungsverfahren, ein unipolares Pulsplattierungsverfahren,
ein bipolares Umkehrplattierungsverfahren, ein Verfahren unter Verwendung
von Wechselstom und dergl. umfassen.
-
Beispielsweise
wird bei Anwendung eines mehrstufigen Gleichstromplattierungsverfahrens
zur Plattierung von Kupfer ein Vorgang, bei dem Strom von 1–10 A für eine Zeitspanne
von 0,1 msec bis 100 sec fliesst, anschliessend die Stromzufuhr
gestoppt und sodann die Stromzufuhr wieder aufgenommen wird, 2 bis
10 mal unter Drehung des Wafers mit 5–100 U/min wiederholt. Bei
Anwendung eines gepulsten Umkehrplattierungsverfahrens, wird ein
Vorgang durchgeführt,
bei dem Vorwärtsstrom
von 1 mA bis 20 A für
eine Zeitspanne von 1 msec bis 200 sec fliesst, eine Ausschaltzeit
von 1 msec bis 30 sec eingehalten wird, Rückwärtsstrom von 1–10 A für eine Zeitspanne
von 1 msec bis 50 sec fliesst und eine Abschaltzeit von 1 msec bis
30 sec eingehalten wird. Dabei wird empfohlen, dass die durchschnittliche Wafer-Stromdichte
auf 1 mA/cm2 bis 50 A/cm2 gehalten
wird. Nach Bildung einer Cu-Elektroplattierungsschicht wird ein
Schleuder- und Spül-Trocknungsvorgang
unter Verwendung von entionisiertem Wasser mit einer Drehgeschwindigkeit
des Wafers von 100–2500
U/min durchgeführt.
-
Im
Folgenden wird bei der in situ-Abscheidung von Kupfer für eine Cu-Anzuchtschicht
unter Verwendung des (hfac)Cu(DMB)-Vorläufers durch das MOCVD-Verfahren
und der Abscheidung von Kupfer für
eine Kupferverdrahtung durch das stromlose Plattierungsverfahren
ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer Kupferverdrahtung
in einem Halbleiterbauelement folgendermassen durchgeführt:
Eine
Zwischenisolierschicht wird auf einem Halbleiterschichtträger gebildet,
in dem verschiedene Komponenten zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
ausgebildet werden. Anschliessend werden ein Kontaktloch und ein
Graben unter Verwendung einer Maske auf der Zwischenisolierschicht
ausgebildet und sodann einem Reinigungsverfahren unterworfen. Hierauf
wird eine Diffusionssperrschicht auf der Oberfläche der Zwischenisolierschicht,
die das Kontaktloch und den Graben umfasst, ausgebildet und eine
Cu-Anzuchtschicht in situ auf der Oberfläche des Kontaktloches und des
Grabens unter Verwendung des (hfac)Cu(DMB)-Vorläufers
mittels des MOCVD-Verfahrens abgeschieden. Cu wird auf die erhaltene
Oberfläche
durch das stromlose Plattierungsverfahren plattiert, so dass das
Kontaktloch und der Graben in ausreichendem Maße bedeckt werden können. Nach
Beendigung der Cu-Plattierung wird die mit Cu plattierte Oberfläche einem
thermischen Wasserstoff-Reduktionsverfahren und sodann dem CMP-Verfahren
unterworfen. Auf diese Weise entsteht eine Kupferverdrahtung.
-
Beim
vorstehenden Verfahren wird die Isolierzwischenschicht aus einer
Isolierschicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante unter 2,7 gebildet. Das
Kontaktloch und der Graben werden mit einem doppelten Damaszierverfahren
ausgebildet. Das Reinigungsverfahren kann sich eines HF-Plasmas
bedienen, sofern eine Bodenschicht aus Metallen, wie Wolfram (W),
oder Aluminium (Al), hergestellt ist. Sofern die Bodenschicht aus
Metallen, wie Kupfer (Cu) besteht, kann ein reaktives Reinigungsverfahren
herangezogen werden. Die Diffusionssperrschicht kann aus mindestens
einem der folgenden Bestandteile gebildet werden: Ionisations-PVD-TiN,
CVD-TiN, MOCVD-TiN,
Ionisations-PVD-Ta, Ionisations-PVD-TaN, CVD-Ta, CVD-TaN und CVD-WN.
-
Die
Cu-Anzuchtschicht wird in der Cu-Abscheidungseinrichtung, die aus
einer Reaktionskammer und einem LDS besteht, gebildet. Das LDS umfasst
eine Bubbler-Vorrichtung,
eine DLI und einen CEM. Ferner kann ein LDS mit einen Verdampfer vom
Düsentyp
oder vom Sprühtyp
und dergl. verwendet werden. Die Bedingungen der jeweiligen Kupferabscheidungseinrichtungen
zum Abscheiden der Cu-Anzuchtschicht entsprechen den vorstehend
erwähnten
Bedingungen. Somit erübrigt
sich die ausführliche
Beschreibung dieser Bedingungen.
-
Die
als Kupfervorläufer
verwendete (hfac)Cu(DMB)-Verbindung kann ohne jegliche Zusätze verwendet
werden. Wenn jedoch Zusätze
mit der (hfac)Cu(DMB)-Verbindung verwendet werden, so können DMB
in einer Menge von 0,1–30%
oder Hhfac in einer Menge von 0,1–20% bzw. eine Kombination
von DMB und Hhfac als Additive zugegeben werden. Das thermische
Wasserstoffreduktionsverfahren umfasst die Durchführung eines
thermischen Verfahrens im Bereich von Raumtemperatur bis 350°C für eine Zeitspanne
von 30–180
Minuten unter einer Wasserstoffreduktionsatmosphäre, um der (hfac)Cu(DMB)-Verbindung
eine Kornmorphologie zu verleihen. Dabei kann die Wasserstoffreduktionsatmosphäre nur Wasserstoff
(H2) oder ein Wasserstoffmischgas, wie H2 + Ar (1–95%), H2 +
N2 (1–95%) und
dergl., umfassen. Nach dem CMP-Verfahren kann ein Nachreinigungsverfahren
durchgeführt
werden. Das Reinigungsverfahren und das Verfahren zur Bildung der
Diffusionssperrschicht laufen in situ ohne zeitliche Verzögerung ab.
Ferner können
das Cu-Plattierungsverfahren und das thermische Wasserstoffreduktionsverfahren
in situ ohne zeitliche Verzögerung
durchgeführt
werden.
-
Nach
der Bildung der Cu-Anzuchtschicht umfasst bei einem Verfahren zum
Füllen
mit Cu durch stromlose Plattierung das stromlose Cu-Plattierungsverfahren
zwei Stufen: eine Stufe zur Entfernung der auf der Cu-Anzuchtschicht
gebildeten Oxidschicht und eine Cu-Plattierungsstufe.
-
Im
Folgenden wird bei der in situ-Abscheidung von Kupfer für eine erste
Cu-Anzuchtschicht durch das PVD-Verfahren, zur Abscheidung von Kupfer
für eine
zweite Cu-Anzuchtschicht unter Verwendung des (hfac)Cu(DMB)-Vorläufers durch
das MOCVD-Verfahren und zur Abscheidung von Kupfer für eine Kupferdünnschicht
durch Elektroplattierung ein erfindungsgemässes Verfahren zur Herstellung einer
Kupferverdrahtung in einem Halbleiterbauelement folgendermassen
durchgeführt:
Eine
Zwischenisolierschicht wird auf einem Halbleiterschichtträger gebildet,
in dem verschiedene Komponenten zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
ausgebildet werden. Anschliessend werden ein Kontaktloch und ein
Graben unter Verwendung einer Maske auf der Zwischenisolierschicht
ausgebildet und sodann einem Reinigungsverfahren unterworfen. Hierauf
wird eine Diffusionssperrschicht auf der Oberfläche der Zwischenisolierschicht,
die das Kontaktloch und den Graben umfasst, ausgebildet und eine
erste Cu-Anzuchtschicht in situ auf der Oberfläche des Kontaktloches und des
Grabens unter Anwendung des PVD-Verfahrens gebildet. Anschliessend
wird auf der Oberfläche
des Kontaktloches und des Grabens, auf der die erste Cu-Anzuchtschicht
abgeschieden ist, eine zweite Cu-Anzuchtschicht unter Verwendung
des (hfac)Cu(DMB)-Vorläufers
mittels des MOCVD-Verfahrens abgeschieden. Sodann wird Cu auf die
erhaltene Oberfläche durch
das Elektroplattierungsverfahren so plattiert, dass das Kontaktloch
und der Graben, auf denen die erste und zweite Cu-Anzuchtschicht übereinander angeordnet
sind, in ausreichendem Maße
bedeckt werden. Nach Beendigung der Cu-Plattierung wird die mit
Cu plattierte Oberfläche
einem thermischen Wasserstoff-Reduktionsverfahren und sodann dem CMP-Verfahren
unterworfen. Auf diese Weise entsteht eine Kupferverdrahtung.
-
Beim
vorstehenden Verfahren wird die Isolierzwischenschicht aus einer
Isolierschicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante unter 2,7 gebildet. Das
Kontaktloch und der Graben werden mit einem doppelten Damaszierverfahren
ausgebildet. Das Reinigungsverfahren kann sich eines HF-Plasmas
bedienen, sofern eine Bodenschicht aus Metallen, wie Wolfram (W)
oder Aluminium (Al), hergestellt ist. Sofern die Bodenschicht aus
Metallen, wie Kupfer (Cu), besteht, kann ein reaktives Reinigungsverfahren
herangezogen werden. Die Diffusionssperrschicht kann aus mindestens
einem der folgenden Bestandteile gebildet werden: Ionisations-PVD-TiN,
CVD-TiN, MOCVD-TiN,
Ionisations-PVD-Ta, Ionisations-PVD-TaN, CVD-Ta, CVD-TaN und CVD-WN.
-
Die
erste Cu-Anzuchtschicht wird in einer Dicke innerhalb von 20 nm
und bei einer Abscheidungstemperatur von 30–300°C gebildet.
-
Die
zweite Cu-Anzuchtschicht wird in der Cu-Abscheidungseinrichtung,
die aus einer Reaktionskammer und einem LDS besteht, gebildet. Das LDS
umfasst eine Bubbler-Vorrichtung,
eine DLI und einen CEM. Ferner kann ein LDS mit einen Verdampfer
vom Düsentyp
oder vom Sprühtyp
und dergl. verwendet werden. Die Bedingungen der jeweiligen Kupferabscheidungseinrichtungen
zum Abscheiden der Cu-Anzuchtschicht entsprechen den vorstehend erwähnten Bedingungen.
Somit erübrigt
sich die ausführliche
Beschreibung dieser Bedingungen.
-
Die
als Kupfervorläufer
verwendete (hfac)Cu(DMB)-Verbindung kann ohne jegliche Zusätze verwendet
werden. Wenn jedoch Zusätze
mit der (hfac)Cu(DMB)-Verbindung verwendet werden, so können DMB
in einer Menge von 0,1–30%
oder Hhfac in einer Menge von 0,1–20% bzw. eine Kombination
von DMB und Hhfac als Additive zugegeben werden. Das thermische
Wasserstoffreduktionsverfahren umfasst die Durchführung eines
thermischen Verfahrens im Bereich von Raumtemperatur bis 350°C für eine Zeitspanne
von 30–180
Minuten unter einer Wasserstoffreduktionsatmosphäre, um der (hfac)Cu(DMB)-Verbindung
eine Kornmorphologie zu verleihen. Dabei kann die Wasserstoffreduktionsatmosphäre nur Wasserstoff
(H2) oder ein Wasserstoffmischgas, wie H2 + Ar (1–95%), H2 +
N2 (1–95%) und
dergl., umfassen. Nach dem CMP-Verfahren kann ein Nachreinigungsverfahren
durchgeführt
werden. Das Reinigungsverfahren und das Verfahren zur Bildung der
Diffusionssperrschicht laufen in situ ohne zeitliche Verzögerung ab.
Ferner können
das Cu-Plattierungsverfahren und das thermische Wasserstoffreduktionsverfahren
in situ ohne zeitliche Verzögerung
durchgeführt
werden.
-
Nach
Bildung einer zweiten Cu-Anzuchtschicht wird der Wafer aus der Abscheidungseinrichtung
in die Elektroplattierungskammer zur Cu-Elektroplattierung übertragen.
Die Cu-Elektroplattierung umfasst zwei Stufen, nämlich eine Stufe zur Entfernung
der auf der Cu-Anzuchtschicht gebildeten Oxidschicht und eine Cu-Elektroplattierungsstufe,
oder drei Stufen, nämlich
eine Oberflächenreinigungsstufe unter
Einschluss einer Vorbenetzung, eine Stufe zur Bildung einer Cu-Elektroplattierungs-Anzuchtschicht und
eine Cu-Elektroplattierungsstufe.
Die Cu-Plattierungslösung
kann 1–100
g/Liter H2SO4, 1–200 g/Liter CuSO4, 500 ppm HCl, und dergl. sowie 1–20 ml/Liter Additive
und dergl. enthalten. Die Elektroplattierungstemperatur beträgt 0–80°C. Bei der
Oberflächenreinigungsstufe,
die eine Vorbenetzung umfasst, handelt es sich um eine Stufe mit
einer Verweilzeit von 1 Sekunde bis 2 Minuten, beginnend zum Zeitpunkt,
an dem der Elektrolyt aus der Kammer eingeleitet wird, um den Wafer
zu erreichen. Beim Cu-Elektroplattierungsverfahren kann das Stromversorgungsverfahren
ein Gleichstromplattierungsverfahren, ein zweistufiges Gleichstromplattierungsverfahren,
ein mehrstufiges Gleichstromplattierungsverfahren, ein unipolares
Pulsplattierungsverfahren, ein bipolares Umkehrplattierungsverfahren,
ein Verfahren unter Verwendung von Wechselstom und dergl. umfassen.
-
Beispielsweise
wird bei Anwendung eines mehrstufigen Gleichstromplattierungsverfahrens
zur Plattierung von Kupfer ein Vorgang, bei dem Strom von 1–10 A für eine Zeitspanne
von 0,1 msec bis 100 sec fliesst, anschliessend die Stromzufuhr
gestoppt und sodann die Stromzufuhr wieder aufgenommen wird, 2 bis
10 mal unter Drehung des Wafers mit 5–100 U/min wiederholt. Bei
Anwendung eines gepulsten Umkehrplattierungsverfahrens, wird ein
Vorgang durchgeführt,
bei dem Vorwärtsstrom
von 1 mA bis 20 A für
eine Zeitspanne von 1 msec bis 200 sec fliesst, eine Ausschaltzeit
von 1 msec bis 30 sec eingehalten wird, Rückwärtsstrom von 1–10 A für eine Zeitspanne
von 1 msec bis 50 sec fliesst und eine Abschaltzeit von 1 msec bis
30 sec eingehalten wird. Dabei wird empfohlen, dass die durchschnittliche Wafer-Stromdichte
auf 1 mA/cm2 bis 50 A/cm2 gehalten
wird. Nach Bildung einer Cu-Elektroplattierschicht wird ein Schleuder-
und Spül-Trocknungsvorgang
unter Verwendung von entionisiertem Wasser mit einer Drehgeschwindigkeit
des Wafers von 100–2500
U/min durchgeführt.
-
Im
Folgenden wird bei der in situ-Abscheidung von Kupfer für eine erste
Cu-Anzuchtschicht durch das PVD-Verfahren, zur Abscheidung einer zweiten
Cu-Anzuchtschicht unter Verwendung des (hfac)Cu(DMB)-Vorläufers durch
das MOCVD-Verfahren und zur Abscheidung von Kupfer für eine Kupferdünnschicht
durch stromloses Plattieren ein erfindungsgemässes Verfahren zur Herstellung
einer Kupferverdrahtung in einem Halbleiterbauelement folgendermassen
durchgeführt:
Eine
Zwischenisolierschicht wird auf einem Halbleiterschichtträger gebildet,
in dem verschiedene Komponenten zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
ausgebildet werden. Anschliessend werden ein Kontaktloch und ein
Graben unter Verwendung einer Maske auf der Zwischenisolierschicht
ausgebildet und sodann einem Reinigungsverfahren unterworfen. Hierauf
wird eine Diffusionssperrschicht auf der Oberfläche der Zwischenisolierschicht,
die das Kontaktloch und den Graben umfasst, ausgebildet und eine
erste Cu-Anzuchtschicht in situ auf der Oberfläche des Kontaktloches und des
Grabens unter Anwendung des PVD-Verfahrens gebildet. Anschliessend
wird auf der Oberfläche
des Kontaktloches und des Grabens, auf der die erste Cu-Anzuchtschicht
abgeschieden ist, eine zweite Cu-Anzuchtschicht unter Verwendung des
(hfac)Cu(DMB)-Vorläufers
mittels des MOCVD-Verfahrens abgeschieden. Sodann wird Cu auf die
erhaltene Oberfläche durch
das stromlose Plattierungsverfahren so plattiert, dass das Kontaktloch
und der Graben, auf denen die erste und zweite Cu-Anzuchtschicht übereinander
angeordnet sind, in ausreichendem Maße bedeckt werden. Nach Beendigung
der Cu-Plattierung wird die mit Cu plattierte Oberfläche einem
thermischen Wasserstoff-Reduktionsverfahren und sodann dem CMP-Verfahren
unterworfen. Auf diese Weise entsteht eine Kupferverdrahtung.
-
Beim
vorstehenden Verfahren wird die Isolierzwischenschicht aus einer
Isolierschicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante unter 2,7 gebildet. Das
Kontaktloch und der Graben werden mit einem doppelten Damaszierverfahren
ausgebildet. Das Reinigungsverfahren kann sich eines HF-Plasmas
bedienen, sofern eine Bodenschicht aus Metallen, wie Wolfram (W)
oder Aluminium (Al), hergestellt ist. Sofern die Bodenschicht aus
Metallen, wie Kupfer (Cu), besteht, kann ein reaktives Reinigungsverfahren
herangezogen werden. Die Diffusionssperrschicht kann aus mindestens
einem der folgenden Bestandteile gebildet werden: Ionisations-PVD-TiN,
CVD-TiN, MOCVD-TiN,
Ionisations-PVD-Ta, Ionisations-PVD-TaN, CVD-Ta, CVD-TaN und CVD-WN.
-
Die
erste Cu-Anzuchtschicht wird in einer Dicke innerhalb von 20 nm
und bei einer Abscheidungstemperatur von 30–300°C gebildet.
-
Die
zweite Cu-Anzuchtschicht wird in der Cu-Abscheidungseinrichtung,
die aus einer Reaktionskammer und einem LDS besteht, gebildet. Das LDS
umfasst eine Bubbler-Vorrichtung,
eine DLI und einen CEM. Ferner kann ein LDS mit einen Verdampfer
vom Düsentyp
oder vom Sprühtyp
und dergl. verwendet werden. Die Bedingungen der jeweiligen Kupferabscheidungseinrichtungen
zum Abscheiden der Cu-Anzuchtschicht entsprechen den vorstehend erwähnten Bedingungen.
Somit erübrigt
sich die ausführliche
Beschreibung dieser Bedingungen.
-
Die
als Kupfervorläufer
verwendete (hfac)Cu(DMB)-Verbindung kann ohne jegliche Zusätze verwendet
werden. Wenn jedoch Zusätze
mit der (hfac)Cu(DMB)-Verbindung verwendet werden, so können DMB
in einer Menge von 0,1–30%
oder Hhfac in einer Menge von 0,1–20% bzw. eine Kombination
von DMB und Hhfac als Additive zugegeben werden. Das thermische
Wasserstoffreduktionsverfahren umfasst die Durchführung eines
thermischen Verfahrens im Bereich von Raumtemperatur bis 350°C für eine Zeitspanne
von 30–180
Minuten unter einer Wasserstoffreduktionsatmosphäre, um der (hfac)Cu(DMB)-Verbindung
eine Kornmorphologie zu verleihen. Dabei kann die Wasserstoffreduktionsatmosphäre nur Wasserstoff
(H2) oder ein Wasserstoffmischgas, wie H2 + Ar (1–95%), H2 +
N2 (1–95%) und
dergl., umfassen. Nach dem CMP-Verfahren kann ein Nachreinigungsverfahren
durchgeführt
werden. Das Reinigungsverfahren und das Verfahren zur Bildung der
Diffusionssperrschicht laufen in situ ohne zeitliche Verzögerung ab.
Ferner können
das Cu-Plattierungsverfahren und das thermische Wasserstoffreduktionsverfahren
in situ ohne zeitliche Verzögerung
durchgeführt
werden.
-
Nach
der Bildung der Cu-Anzuchtschicht umfasst bei einem Verfahren zum
Bedecken mit Cu durch stromlose Plattierung das stromlose Cu-Plattierungsverfahren
zwei Stufen: eine Stufe zur Entfernung der auf der Cu-Anzuchtschicht
gebildeten Oxidschicht und eine Cu-Plattierungsstufe.
-
Wie
sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, kann erfindungsgemäss nicht
nur das Wiederauftreten des Kupferabscheidungsverfahrens erreicht
werden, sondern man erhält
auch eine Kupferdünnschicht
von hochwertiger Schichtqualität,
indem man in optimaler Weise die Bedingungen des Abscheidungsverfahrens
der Kupferabscheidungseinrichtung einstellt, um eine MOCVD-Verfahrenstechnik
einzuführen,
bei der eine (hfac)Cu(DMB)-Verbindung als Vorläufer verwendet wird.