DE10122136A1

DE10122136A1 - Grenzflächenhohlraumüberwachung in einem Damaszener-Prozess

Info

Publication number: DE10122136A1
Application number: DE10122136A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Langer; Frank Koschinsky; Volker Kahlert; Peter Huebler
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: GlobalFoundries Inc
Priority date: 2001-05-08
Filing date: 2001-05-08
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: DE10122136B4; US20020168786A1; US6716650B2

Abstract

Zum Bestimmen der Qualität von Verbindungen in integrierten Schaltungen, insbesondere in Damaszener-Anwendungen, ist ein Verfahren zum Überwachen von Hohlräumen offenbart, wobei eine Barrierenmetallschicht direkt auf einem eingeebneten Metall abgeschieden wird, um eine großflächige Oberfläche bereitzustellen, die für eine weitere Analyse der Grenzfläche zwischen dem Metall und der Barrierenmetallschicht nicht zerstört werden muss. Die Analyse kann durch Verwenden eines Elektronenmikroskops, das im Rückstreumodus betrieben wird, ausgeführt werden.

Description

Gebiet der vorliegenden Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Überwachung von Hohlräumen in Damas zener- und Dual-Damaszener-Strukturen.

Beschreibung des Stands der Technik

Der Bedarf an leistungsfähigen Halbleiterchips ist in den vergangenen Jahren ständig angestiegen, während gleichzeitig die Funktionalität der Schaltung komplexer und der Flächenbedarf pro Chip geringer geworden ist. Eine Möglichkeit, die Geschwindigkeit und die Leistungsfähigkeit des Halbleiterchips zu erhöhen, besteht darin, die Größe der einzelnen integrierten Schaltungskomponenten zu verringern. In modernen integrierten Schaltungen wird die Kanallänge und damit die Gate-Länge eines typischen Feldeffekt transistors (FET) auf eine Größe von 0,2 µm und weniger verkleinert, um die Schaltge schwindigkeit des FET-Elements genügend zu reduzieren, um es zu ermöglichen, bei spielsweise eine zentrale Rechnereinheit (CPU) mit Taktfrequenzen von 1 GHz und darüber zu betreiben. Bei kleinen Strukturgrößen ist die Leistungsfähigkeit der Halblei terchips nicht nur durch die Schaltgeschwindigkeit einzelner FET-Elemente beschränkt, sondern ebenfalls durch die elektrische Leitfähigkeit der Metallverbindungen, die die di versen einzelnen Komponenten verbinden, und durch die parasitären Kapazitäten, die mit den Metallverbindungen verknüpft sind. Um die Vorteile von Transistorelementen, die in der Lage sind, bei hohen Geschwindigkeiten betrieben zu werden und kleinere Strukturgrößen aufweisen, vollständig auszuschöpfen, müssen die Metallverbindungen sehr gut leitend und/oder parasitären Kapazitäten zwischen benachbarten Verbin dungsleitungen oder Durchführungen müssen so gering wie möglich gehalten werden.

Ein typisches Verfahren zur Oberflächenverdrahtung der einzelnen Komponenten einer integrierten Schaltung, das ebenfalls als "Metallisierung" bezeichnet wird, ist der soge nannte Damaszener Prozess, in dem Gräben und/oder Durchführungen in einer isolie renden Schicht gebildet und anschließend mit einem leitenden Material gefüllt werden, um die leitfähigen Leitungen zu bilden, die die einzelnen Komponenten der integrierten Schaltung verbinden. Gegenwärtig weisen die meisten der Silicium-basierten Halbleiter chips eine Metallisierungsschicht auf, die Siliciumdioxid als ein dielektrisches Material und Aluminium als das leitfähige Material aufgrund der ausgezeichneten Haftung des Aluminiums zu dem umgebenden Siliciumdioxid ohne Neigung zur Diffusion in das Sili ciumdioxid verwenden. Bei integrierten Schaltungen mit kritischen Strukturgrößen von 0,5 µm und weniger beginnt die Verbindungsleitungsverzögerung, die durch die be grenzte Leitfähigkeit der Metallleitungen und die relativ hohe dielektrische Konstante des Siliciumdioxids verursacht wird, die Schaltgeschwindigkeit der einzelnen Halblei terelemente zu dominieren. Somit wurden große Anstrengungen unternommen, um das Metall und/oder das Dielektrikum durch ein geeignetes Material zu ersetzen, um die RC- Konstante, die durch den Widerstand der leitfähigen Leitungen und die parasitäre Ka pazität zwischen benachbarten Leitungen definiert wird, zu verringern.

Aus den diversen Materialien hat sich Kupfer als ein vielversprechender Kandidat für das Ersetzen des Aluminiums aufgrund des geringeren spezifischen Widerstands er wiesen, der ungefähr um eine Größenordnung kleiner als derjenige von Aluminium ist. Ferner zeigt im Gegensatz zu Aluminium Kupfer keine eutektischen Reaktionen und thermisch induzierte Elektromigration, wenn dieses in Halbleiterchips mit Integration in großem Maßstab ("VLSI") und mit Integration in extrem großem Maßstab ("ULSI") ver wendet wird. Ferner kann Kupfer bei niedrigen Temperaturen mit einem hohen Aspekt verhältnis abgeschieden werden, wodurch eine gute Stufenbedeckung erreicht wird.

Wie zuvor erwähnt ist, muss zur Bereitstellung einer äußerst zuverlässige integrierte Schaltung das Metall der Verbindungsleitungen ausreichend an dem umgebenden die lektrischen Material anhaften und eine Diffusion der Metallatome in das dielektrische Material muss soweit wie möglich reduziert werden. Somit kann in vielen Fällen das Metall nicht direkt auf dem dielektrischen Material abgeschieden werden. Statt dessen wird eine Barrierenmetallschicht auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht vor der Abscheidung des Metalls aufgebracht. Beispielsweise diffundiert Kupfer schnell in Silici umdioxid hinein und haftet nicht ausreichend auf Siliciumdioxid. Folglich wird eine dünne Barrierenmetallschicht abgeschieden, um eine ausreichende Haftung des Kupfers zu gewährleisten, um ein Diffundieren des Kupfers in das Siliciumdioxid zu verhindern.

Tantal ist ein attraktives Barrierenmaterial aufgrund seines hohen Schmelzpunktes und seiner Unvermischbarkeit mit Kupfer. Ferner liefert es Kontakte mit geringem ohmschen Widerstand und eine ausgezeichnete Haftung zu Kupfer. Ein Dotieren des Tantals mit Stickstoff verhindert Diffusionswege an den Korngrenzen. Daher kann Tantalnitrid, das beispielsweise durch reaktives Sputtern von Tantal in Anwesenheit von Stickstoff abge schieden wird, ebenfalls als eine Barrierenmetallschicht verwendet werden. Daher ist Tantalnitrit ein sehr geeignetes Barrierenmaterial. Diese Schichten können durch Sput tern oder CVD (chemische Dampfabscheidung) abgeschieden werden.

Im Damaszener-Prozess zur Bildung einer Metallisierungsschicht mit beispielsweise Sili ciumdioxid und Kupfer ist die Erzeugung von Hohlräumen an der Grenzfläche des Die lektrikums und des leitenden Materials, insbesondere an der Unterseite von in dem Dielektrikum auf einer vorhergehenden Metallisierungsschicht gebildeter Durch gangsöffnungen ein besonders ernst zu nehmendes Problem. Ferner wurde durch ver schiedene Untersuchungen bestätigt, dass Grenzflächenhohlräume zwischen dem Bar rierenmaterial, beispielsweise Tantal oder Tantalnitrid, und dem darunter liegenden Kupfer gebildet werden. Derartige Grenzflächenhohlräume können ein Ergebnis einer unzureichenden Wärmeabfuhr während des Sputterns sein und können sich bilden, wenn sich das Kupfer thermisch beim Abkühlen nach der Abscheidung zusammenzieht. Somit muss der Damaszener-Prozess ständig überwacht werden, um ein ausreichen des Niveau an Zuverlässigkeit der integrierten Schaltung zu erreichen.

Mit Bezug zu Fig. 1 wird ein typischer Damaszener-Prozess und ein Verfahren zur Überwachung von Hohlräumen in Durchgangsöffnungen gemäß dem Stand der Technik kurz erläutert.

In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine standardmäßige Damaszener-Struktur. Ein Substrat 2, etwa ein Siliciumsubstrat oder ein anderes Substrat, das für Halbleiter- oder integrierte Schaltungstechnologie geeignet ist, kann diverse Schichten beinhalten, die Halbleiterelemente definieren, etwa Feldeffekttransistoren (FET) (nicht gezeigt). Das Substrat 2 ist zumindest teilweise mit einem dielektrischen Material, etwa Siliciumdioxid (SiO₂) als einer ersten Isolationsschicht 3 bedeckt. In der Isolationsschicht 3 sind Öff nungen 9 ausgebildet. Die Öffnungen 9 sind mit einem Metall, etwa Kupfer, Wolfram oder Aluminium gefüllt. Die Öffnungen 9 sind voneinander getrennt und können einzelne Metallinseln und/oder Metallleitungen einer ersten Metallisierungsschicht bilden. Die Metallleitungen und/oder Inseln werden gemeinsam als Metallgebiete 4 bezeichnet. Über der ersten Isolierschicht 3 und den Metallgebieten 4 ist eine zweite Isolierschicht 5 angeordnet, die Durchführungen bzw. Durchgangsöffnungen 7 in ausgerichteterweise zu den Metallgebieten 4 umfasst. Eine Barrierenmetallschicht 6 mit beispielsweise Tan tal oder Tantalnitrid ist auf der zweiten Isolierschicht 5 abgeschieden und definiert eine Grenzfläche 8 zwischen der Barrierenmetallschicht 6 und den Metallgebieten 4.

Ein typischer Prozessablauf zur Herstellung der Damaszener-Struktur 1 aus Fig. 1 kann umfassen: Abscheiden der ersten Isolationsschicht 3 durch einen geeigneten Abschei devorgang, der im Stand der Technik bekannt ist, Bilden der Öffnungen mittels Litho graphie und Ätzen, Füllen der Öffnungen 9 mit einem Metall wie etwa Kupfer, beispiels weise durch Elektroplattieren, wobei vor dem Abscheiden des Kupfers eine Barrieren metallschicht (nicht gezeigt) und eine Kupfersaatschicht (nicht gezeigt) abgeschieden werden kann, und wobei die resultierende Struktur mittels chemisch-mechanischen Po lierens (CMP) eingeebnet wird. Anschließend wird die zweite Isolierschicht 5 beispiels weise Siliciumdioxid (SiO₂) abgeschieden und strukturiert, um die Durchgangsöffnungen 7 zu bilden. Als Nächstes wird die Barrierenmetallschicht 6 durch Sputterabscheidung auf der zweiten Isolierschicht 5 abgeschieden, wobei sich Hohlräume (nicht gezeigt), wie zuvor erläutert wurde, insbesondere an der Grenzfläche 8, d. h. zwischen dem darunter liegenden Metallgebiet 4 und der Barrierenmetallschicht 6 bilden können, verursacht durch die thermische Spannung aufgrund der bei der Abscheidung der Barrierenmetall schicht 6 erzeugten Wärme und dem anschließenden Abkühlen des Kupfer- Barrierenmetallschicht-Stapels.

Im Allgemeinen sind Grenzflächenhohlräume klein im Vergleich zur unteren Fläche der Durchgangsöffnung und es ist daher schwer, diese durch elektrische Tests zu detektieren. Um die Prozess-Qualität der Barrierenmetallschichtabscheidung zu überwachen, wird ein Wafer, der die Damaszener-Struktur 1 trägt, in Stücke geschnitten, um eine Probe für eine Querschnittsanalyse mittels eines Transmissionselektronenmikroskops zu präparieren, wobei die Probe die Grenzfläche 8 zwischen der Barrierenmetallschicht 6 und dem Metallgebiet 4 umfasst.

Dazu wird ein einzelnes Stück, das die Damaszener-Struktur 1 enthält, gedünnt, bei spielsweise durch Präparierung mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB), um die benö tigte Dicke für die Querschnittsanalyse zu erhalten, die für die Untersuchung mit der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) geeignet ist. Die Präparierung von Proben für die Querschnittsanalyse ist jedoch sehr kosten- und zeitaufwendig. Das Präparieren der Probe kann bis zu einige Stunden erfordern und wird für gewöhnlich außerhalb des eigentlichen Produktionsbereichs ausgeführt. Somit muss die in Betracht kommende Sputter- oder CVD-Anlage im Stillstand bleiben, bis die Testergebnisse erhalten werden, wodurch sich der Durchsatz der Maschine beträchtlich verringert, oder diese kann auf Risiko hin freigegeben werden, wodurch sich die Produktionsausbeute möglicherweise verringert. Ferner ist es im Allgemeinen sehr schwierig, mehrere geeignete Proben aus dem gleichen Test-Wafer zu präparieren, so dass es äußerst kompliziert und kostenin tensiv ist, Durchgangsöffnungshohlräume über die gesamte Wafer-Fläche zu überwa chen. Ferner erfordert die Querschnittsanalyse die Zerstörung der Proben und verhin dert daher eine weitere Verwendung dieser Proben.

Es ist daher wünschenswert, ein Verfahren zur Überwachung von Hohlräumen in Da maszener-Anwendungen zu entwickeln, das den Überwachungsvorgang bei einem ho hen Grad an Zuverlässigkeit und vorzugsweise ohne Probenzerstörung vereinfacht.

Überblick über die Erfindung

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bereit stellen eines Substrats mit einer Oberfläche mit einer sich über der Oberfläche befindli chen dielektrischen Schicht, wobei die dielektrische Schicht darin ausgebildete Öffnun gen aufweist. Ferner umfasst das Verfahren das Abscheiden eines Metalls zumindest in den Öffnungen und Einebnen einer Oberfläche des Metalls in den Öffnungen. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Abscheiden einer Barrierenmetallschicht über der eingeebneten Oberfläche des Metalls und das Bestimmen von Eigenschaften einer Grenzfläche, die durch die eingeebnete Oberfläche des Metalls und der Barrierenme tallschicht gebildet ist, um die Hohlraumerzeugung an der Grenzfläche zu überwachen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Pa tentansprüchen definiert und werden durch die folgende detaillierte Beschreibung deut lich, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen anschaulichen Prozessablauf für Damaszener- Anwendungen; und

Fig. 2 schematisch den Prozessablauf zur Überwachung von Hohlräumen in Damaszener-Anwendungen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Zu erwähnen ist, dass die in den Figuren dargestellten Abmessungen nicht maßstabs getreu sind.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den in der folgenden detaillierten Be schreibung sowie in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschrieben ist, ist es selbstverständlich, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeich nungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen illustrati ven Ausführungsformen stellen lediglich in beispielhafter Weise die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentan sprüche definiert ist.

Erfindungsgemäß wird ein effizientes und schnelles Verfahren zur Präparierung von Testsubstraten bereitgestellt, das verwendet werden kann, um die Eigenschaften der Grenzfläche zwischen einer Barrierenmetallschicht und einer darunter liegenden Metalli sierungsstruktur zu bestimmen. Obwohl die Barrierenmetallschicht ein Nichtmetall um fassen kann, etwa Tantalnitrid, Titannitrid, und dergleichen, wird der Begriff "Barrieren metallschicht" durchgängig in dieser Anmeldung in Übereinstimmung mit der üblichen Halbleiter-Terminologie verwendet. Der Begriff Barrierenmetallschicht umschließt somit ein beliebiges geeignetes Material, etwa Tantal und/oder Tantalnitrid und/oder Titan und/oder Titannitrid. Durch Untersuchungen der Erfinder wurde bestätigt, dass die Wechselwirkung der Barrierenmetallschichtabscheidung mit dem Metall, etwa Kupfer, das unterhalb der Barrierenmetallschicht, der kritischste Teil ist und den wesentlichen Grund für die Erzeugung von Hohlräumen an der Grenzfläche darstellt. Folglich wird dem Verfahren zur Überwachung der Grenzflächenhohlraumbildung gemäß der vorlie genden Erfindung die Barrierenmetallschicht direkt auf dem Metall abgeschieden, bei spielsweise auf dem Kupfer, um damit die zusätzlichen Schritte wie etwa Oxiddeposition und Graben - oder Durchgangsöffnungsätzung zu umgehen, um somit die kürzeste Prozess-Überwachungsschleife mit der höchsten Metallflächensensitivität für die Grenz flächenhohlraumdetektion zu erreichen.

Anschließend können Eigenschaften der Grenzfläche, die mit der Anwesenheit von Hohlräumen verknüpft sind, an einer im Wesentlichen ebenen großflächigen Oberfläche der Barrierenmetallschicht ohne die Störung einer zusätzlichen auf der Barrierenmetall schicht gebildeten Struktur bestimmt werden, was in der herkömmlichen Grenzflächen überwachung eine komplexe Querschnittsanalyse einschließlich des Dünnens und somit der Zerstörung der Probe erfordert. Die Bestimmung der Eigenschaften der Grenzfläche hinsichtlich des Vorhandenseins von Hohlräumen kann mit einem Elektromikroskop bei Betrieb im Rückstreumodus durchgeführt werden, wobei Elektronen durch die Barrie renmetallschicht in die Grenzfläche zwischen der Barrierenmetallschicht und dem dar unter liegenden Metall und in den oberen Teil des Metalls eindringen können. Wenn sich Hohlräume in dieser Grenzfläche während des betrachteten Abscheidevorgangs gebil det haben, zeigen die eingedrungenen Elektronen ein unterschiedliches Rückstreu ungsverhalten im Vergleich zum Rückstreuungsverhalten bei fehlenden Hohlräumen. Dies führt beispielsweise zu einer unterschiedlichen Energie- und Winkelverteilung der rückgestreuten Elektronen.

Im Allgemeinen sind Elektronenmikroskope eine Standardeinrichtung in der Halbleiter- Industrie und daher kann das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher Weise in einen konventionellen Herstellungsvorgang implementiert werden. Ferner ist erfindungsgemäß eine komplexe FIB-Proben-Präparierung nicht mehr notwendig und die Notwendigkeit, die Proben außerhalb des Reinraumes zu behandeln, ist ebenfalls beseitigt. Als Folge kann eine Hohlraumüberwachung in einer relativ einfacher Weise innerhalb relativ kur zen Zeitspanne erreicht werden. Somit können die Messergebnisse innerhalb weniger Minuten im Vergleich zu mehreren Stunden bei Anwendung des herkömmlichen Verfah rens erhalten werden. Dies erlaubt bei Bedarf eine rasche und effiziente Neueinstellung der Prozess-Parameter, um zuverlässig eine Hohlraumbildung zu vermeiden.

Mit Bezug zu Fig. 2 wird im Folgenden eine anschauliche Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. In Fig. 2 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten und Teile wie in Fig. 1.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Barrierenmetallschicht-Überwachungsstruktur (BM- Struktur) 11 gemäß einer anschaulichen erfindungsgemäßen Ausführungsform. Die BM- Struktur 11 umfasst ein Substrat 2, das diverse Schichten mit Halbleiterelementen ein schließt, die in Halbleiter oder integrierten Schaltungstechnologien verwendet werden. Ein dielektrisches Material 3, das zumindest teilweise das Substrat 2 bedeckt, enthält Öffnungen 9, die mit Metall 4 gefüllt sind. Eine Barrierenmetallschicht (nicht gezeigt) kann in den Öffnungen 9 vor der Formierung des Metalls 4 in der Öffnung 9 gebildet sein. Das Metall 4 bildet Inseln und/oder leitfähige Leitungen, die in dem dielektrischen Material 3 eingebettet sind. Das Metall 4 und das dielektrische Material 3 bilden eine nä herungsweise ebene Oberfläche 12. Auf der Oberfläche 12 ist eine Barrierenmetall schicht 6 mit einem Barrierenmaterial, beispielsweise Tantal und/oder Tantalnitrid, aus gebildet.

Ein anschaulicher Prozessablauf zur Herstellung der BM-Struktur 11, die zur Überwa chung von Einzel- und Dual-Damaszener-Prozessen Verwendung findet, kann die fol genden Schritte umfassen. Zunächst wird das dielektrische Material, etwa Siliciumdioxid, mittels chemischer Dampfabscheidung bei geringem Druck (LPCVD) oder einem ande ren geeigneten Depositionsverfahren abgeschieden, so dass die Einstellung der Dicke des dielektrischen Materials 3 genau steuerbar ist. Anschließend wird eine Fotolack schicht (nicht gezeigt) abgeschieden und mittels bekannter Fotolithographietechniken strukturiert, um nachfolgend das dielektrische Material mittels bekannter Ätzprozesse zur Erzeugung der Öffnungen 9 darin zu strukturieren. Anschließend wird auf dem die lektrischen Material das Metall 4 abgeschieden, wodurch zumindest die Öffnungen 9 in dem dielektrischen Material 3 gefüllt werden. Das Metall 4 kann mittels CVD oder einem physikalischen Dampfabscheidungsvorgang (PVD), möglicherweise unter mit Einbezie hung der Abscheidung einer Barrierenmetallschicht und einer Saatschicht (nicht ge zeigt) abgeschieden werden. Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform Kupfer als das Metall 4 verwendet wird, ist es ebenfalls möglich, beispielsweise Wolfram oder Alu minium zu verwenden.

Anschließend wird das Metall 4 eingeebnet, beispielsweise mittels eines CMP- Prozesses. In diesem Prozess wird das Metall 4 bis zu einem Plateau gedünnt, an dem die Oberfläche 12 des dielektrischen Materials 3 und die eingeebnete Oberfläche des Metalls 4 im Wesentlichen auf einem gleichen Pegel liegen. Dieser Vorgang erzeugt ei ne glatte und ebene Oberfläche insbesondere auf dem Metall 4. Ebenfalls möglich ist es, die Oberfläche lediglich auf einzelnen Metallinseln einzuebnen. Anschließend wird die Barrierenmetallschicht 6, beispielsweise mit Tantal und/oder Tantalnitrid mittels bei spielsweise einer Sputter-Abscheidung direkt auf dem eingeebneten Metall 4 abge schieden, um eine Dicke zu erhalten, die im Wesentlichen durch die Abscheide- Parameter vorgegeben ist, die durch das Prozess-Rezept für die eigentlichen Pro duktsubstrate gegeben sind. Auf diese Weise kann eine ebene großflächige Barrieren metallschichtoberfläche 10 erzeugt werden, die weiteren detaillierten Untersuchungen und der Bestimmung von Eigenschaften hinsichtlich der Hohlraumerzeugung an der Grenzfläche 8 zugänglich ist.

In einer anschaulichen Ausführungsform wird ein Strahl aus beschleunigten Elektronen, die beispielsweise mittels eines Elektronenmikroskops erzeugt werden, auf die Oberflä che 12 gerichtet, um in die Barrierenmetallschicht 16, die Oberfläche 12 und die darun ter liegende Grenzfläche 8 einzudringen. Sodann werden die von der Oberfläche 12 und der Grenzfläche 8 zurückgestreuten Elektronen detektiert. Dafür kann die BM-Struktur 11 unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops analysiert werden, um die In tensität und die Winkelverteilung der zurückgestreuten Elektronen zu beobachten.

Anders als in der Damaszener-Struktur 1 aus Fig. 1 enthält die BM-Struktur 11 keine Durchgangsöffnung 7 und enthält nicht die zweite Isolationsschicht 5. Im Allgemeinen erlaubt das hohe Aspektverhältnis der Durchgangsöffnungen 7 es nicht, dass Elektro nen in die Grenzfläche 8 eindringen und nach dem Zurückstreuen in einfacher Weise in einer ausreichenden Anzahl zur Bestätigung des Vorhandenseins oder des Nichtvor handenseins von Hohlräumen an der Grenzfläche 8 detektierbar sind. Erfindungsgemäß erfahren die zurückgestreuten Elektronen keine Behinderung, die durch Seitenwände der Durchgangsöffnungen 7 verursacht ist, und somit enthält ein von den zurückge streuten Elektronen erhaltenes Signal Informationen über die Struktur der Barrierenme tallschicht 6, der Grenzfläche 8 und eines Teils des Metalls 4, aus denen Eigenschaften hinsichtlich des Vorhandenseins von Hohlräumen an der Grenzfläche 8 bestimmt wer den können.

Die Beschleunigungsspannung des Elektronenmikroskops wird so eingestellt, um insbe sondere die Grenzfläche 8 zwischen dem eingeebneten Metall 4 und der Barrierenme tallschicht 6 zu untersuchen, wo mögliche Hohlräume vorzugsweise während des Ab scheiden der Barrierenmetallschicht 6 gebildet werden. Die Beschleunigungsspannung kann im Bereich von ungefähr 8 bis 20 kV variiert werden. Mit diesem Bereich an Be schleunigungsspannungen kann eine Eindringtiefe der einfallenden Elektronen bis zu einer Tiefe von ungefähr 150 nm für einen Kupfer/Tantal-Schichtstapel eingestellt wer den. Folglich kann das gesamte zu interessierende Gebiet, d. h. die Grenzfläche 8 ana lysiert werden. Beispielsweise kann die Beschleunigungsspannung für eine ungefähr 40 nm dicke Tantalschicht zu ungefähr 10 kV gewählt werden, wobei ein großer Teil der einfallenden Elek tronen ebenfalls in das Kupfer 4 bis zumindest ungefähr 60 nm eindringt.

Gemäß einer illustrativen Ausführungsform kann, um quantitative Ergebnisse zu erhal ten und um die Einstellung der Elektronenmikroskop-Parameter zu erleichtern, eine Si mulationsrechnung ausgeführt werden, die die elektromagnetische Wechselwirkung der Elektronen mit der Materie, die den Schichtstapel bildet, d. h. der Barrierenmetallschicht 6 und dem Metall 4, repräsentiert. Entsprechende Algorithmen zur Simulierung von elektromagnetischen Ereignissen sind im Stand der Technik bekannt und erlauben eine schnelle Justierung der Testparameter hinsichtlich der Geometrie, der Art des Materials, der Temperatur, der Elektronenergie, des Einfallswinkels, der Art des in dem Elektromi kroskop verwendeten Detektors und dergleichen. Ferner können für einen gegebenen Parametersatz des Elektronenmikroskops, der durch Simulation und/oder durch Expe riment gewonnen wurde, die aus der BM-Struktur 11 erhaltenen Signale mit Simulati onsergebnissen verglichen werden, um eine quantitative Information hinsichtlich des Hohlraum-Durchmessers und/oder dem Ort der Hohlräume und/oder der Anzahl der Hohlräume zu erhalten. Entsprechende Simulationen können im Voraus für mehrere tatsächliche Prozess-Parameter durchgeführt und in einer Bibliothek gespeichert wer den, um eine rasche Reihenuntersuchung mehrerer Testbereiche für unterschiedliche Prozess-Bedingungen zu ermöglichen. Im Gegensatz zur konventionellen Quer schnittsanalyse, wobei die Überwachungsaktivität auf einige wenige Proben beschränkt ist, erlaubt es die vorliegende Erfindung, Information an mehreren Stellen an der BM- Struktur 11 und/oder von mehreren unterschiedlichen Testsubstraten aufgrund der ra schen und zerstörungsfreien Proben-Präparation zu sammeln. Ferner können die Sub strate erneut bearbeitet und für ein weiteres Prozessieren verwendet werden.

In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform können die Messergebnisse, die durch Elektronenmikroskopie im Rückstreumodus erhalten werden, mit Ques schnittsanalyse-Ergebnissen von Proben verglichen werden, die für eine Quer schnittsanalyse präpariert worden sind, nachdem diese der Grenzflächen- Hohlraumüberwachung unter Anwendung des Rückstreumoduses unterzogen worden sind. Die Querschnittsanalyse liefert Fotografien einschließlich der Grenzfläche 8, die eine oder mehrere Hohlräume zeigen können. Die Erscheinung dieser Hohlräume kann mit den elektrischen Signalen verglichen werden, die aus der Rückstreuanalyse erhalten werden, wobei die Signale einer speziellen Hohlraum-Eigenschaft zugeordnet werden können. Danach sind die zeitraubenden Präparierungen von Querschnittsproben nicht mehr notwendig. Auf diese Weise können die im Rückstreumodus gewonnenen Signale entsprechend den Querschnittsanalyse-Resultaten kalibriert werden. Entsprechende Kalibriervorgänge können regelmäßig wiederholt werden, um eine Langzeitstabilität des Hohlraum-Überwachungsvorganges zu erreichen.

In einer weiteren Ausführungsform können alternativ oder zusätzlich die Quer schnittsanalyse-Ergebnisse mit Ergebnissen von Simulationsberechnungen verglichen werden, um die Gültigkeit der Simulationsergebnisse zu verifizieren, die dann als zu verlässige Referenzdaten für die Rückstreuanalyse ohne weiteren Bezug zur Quer schnittsanalyse verwendbar sind. Wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform kann der Vergleich regelmäßig ausgeführt werden.

In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform können ein oder mehrere spezifizierte Testbereiche auf der BM-Struktur 11 zur Bestimmung von Eigenschaften der Grenzflä che 8 definiert werden. Diese Testbereiche können einerseits ausreichend groß ausge bildet sein, um eine geeignete ebene Oberfläche für die Elektronenmikroskopanalyse mit Rückstreumodus zu liefern, aber andererseits können diese lediglich einen kleinen Teil der gesamten Substratfläche belegen. Beispielsweise könnte eine einzelne Chipflä che als ein Testbereich präpariert werden. Das Bereitstellen derartiger Testbereiche macht das Präparieren separater Test-Wafer für die Hohlraum-Überwachung unnötig. Die einen oder mehreren Testbereiche können an spezifizierten Stellen an entspre chenden gekennzeichneten Produkt-Wafern vorgesehen sein. Die Hohlraum-Über wachung an derartigen Testbereichen beeinflusst die verbleibenden Wafer-Bereiche nicht und ermöglicht somit, dass der für die Messung verwendete Wafer weiter prozes siert werden kann.

Obwohl anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug zur Elektronenmikroskopie im Rückstreumodus beschrieben worden sind, können andere Verfahren, die vorteilhaft die großflächige Oberfläche 12 zum Bestimmen von Eigen schaften der Grenzfläche 8 im Hinblick auf Hohlraumerzeugung nutzen, verwendet wer den. Beispielsweise können in einer Ausführungsform entsprechende Bereiche an der Oberfläche 12 und an dem Metall 4 mit einer externen Testeinheit, die beispielsweise eine Stromquelle, einen Frequenzgenerator, eine Spannungsversorgung und derglei chen aufweist, in Kontakt gebracht werden, um elektrische Eigenschaften der Grenzflä che, etwa den Widerstand, Kapazität und dergleichen zu bestimmen, die auf die Hohl raumerzeugung in der Grenzfläche 8 sensitiv sein können. Aufgrund der großflächigen Oberfläche 12, die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten wird, ist das Bereitstellen von elektrischen Kontakten zu externen Messgeräten deutlich vereinfacht und die Wirkung der Hohlräume in der Grenzfläche kann im Vergleich zu standardmäßigen elektrischen Tests, die mit Substraten ausgeführt werden, die entsprechend dem kon ventionellen Verfahren hergestellt sind, präziser bestimmt werden. Somit ist die Emp findlichkeit für elektrische Tests, die durch das erfindungsgemäße Verfahren geliefert wird, ausreichend, um eine Hohlraumdetektion an der Grenzfläche 8 zu ermöglichen.

Weitere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann auf diesem Gebiet aufgrund dieser Beschreibung offenkundig. Die Beschrei bung ist daher als lediglich illustrativ zu verstehen und dient dem Zwecke, dem Fach mann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich repräsentieren die Formen der hierin gezeigten und be schriebenen Erfindung die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen.

Claims

1. Verfahren mit:
Bereitstellen eines Substrats mit einer Oberfläche mit einer darüber angeordne ten dielektrischen Schicht, wobei die dielektrische Schicht darin ausgebildete Öff nungen aufweist;
Abscheiden eines Metalls zumindest in den Öffnungen;
Einebnen einer Oberfläche des Metalls in den Öffnungen;
Abscheiden einer Barrierenmetallschicht über der eingeebneten Oberfläche des Metalls; und
Bestimmen von Eigenschaften einer Grenzfläche, die an der eingeebneten Oberfläche des Metalls und der Barrierenmetallschicht gebildet ist, um die Hohl raumerzeugung an der Grenzfläche zu überwachen.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen von Eigenschaften der Grenzfläche umfasst: Richten eines Strahls beschleunigter Elektronen auf die Barrierenmetallschicht und Detektieren von Elektronen, die von dem Substrat zu rückgestreut werden.

3. Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei Bestimmen von Eigenschaften der Grenzfläche Verwenden eines Elektronenmikroskops umfasst.

4. Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine Beschleunigungsspannung des Elektronenmikroskops im Bereich von ungefähr 8 bis 20 keV liegt.

5. Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine Beschleunigungsspannung des Elektronenmikroskops ungefähr 10 keV beträgt.

6. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metall Kupfer ist.

7. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einebnen durch einen chemisch mechanischen Poliervorgang praktiziert wird.

8. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einebnen einer Oberfläche eines Metalls in den Öffnungen an einzelnen Metallinseln ausgeführt wird.

9. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei Abscheiden der Barrierenmetallschicht im Anschluss an das Einebnen der Oberfläche des Metalls in den Öffnungen durchgeführt wird.

10. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Barrierenmetallschicht näherungs weise eben ist.

11. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Barrierenmetallschicht Tantal und/oder Tantalnitrid und/oder Tantal/Tantalnitrid und/oder Titannitrid umfasst.

12. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Abtasten des Elektronenmikroskops zur Bestimmung der Eigenschaften der Grenzfläche verwendet wird.

13. Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei Bestimmen der Eigenschaften der Grenzfläche umfasst: Vergleichen von Messergebnissen aus der Elektronenmi kroskopie mit Simulationsberechnungsergebnissen auf der Grundlage einer Dic ke der Barrierenmetallschicht, und/oder eine Art des für die Barrierenmetall schicht verwendeten Materials und/oder einer Beschleunigungsspannung des Elektrons.

14. Das Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst: Justieren zumindest eines Parameters des Elektronenmikroskops unter Verwendung der Simulationsbe rechnungsergebnisse.

15. Das Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Präparieren einer Probe für eine Querschnittsanalyse aus dem Substrat nach dem Bestimmen der Eigen schaften der Grenzfläche, Durchführen einer Querschnittsanalyse mittels eines Transmissionselektronenmikroskops; und Vergleichen des Ergebnisses der Querschnittsanalyse mit den Eigenschaften der Grenzfläche, um eine Korrelation zwischen den Eigenschaften der Grenzfläche und den in der Grenzfläche gebil deten Hohlräumen herzustellen.

16. Das Verfahren nach Anspruch 2, das ferner umfasst: Präparieren einer Probe für eine Querschnittsanalyse aus dem Substrat nach dem Bestimmen der Eigen schaften der Grenzfläche, Durchführen einer Querschnittsanalyse mittels eines Transmissionselektronenmikroskops; und Vergleichen des Ergebnisses der Querschnittsanalyse mit Ergebnissen einer Simulationsberechnung für die be schleunigten Elektronen, um eine Korrelation zwischen den Eigenschaften der Grenzfläche und den in der Grenzfläche gebildeten Hohlräumen herzustellen.

17. Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen der Eigenschaften der Grenzfläche das Einstellen einer Beschleunigungsspannung des Elektronenmi kroskops abhängig von der Barrierenmetallschicht umfasst.

18. Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Beschleunigungsspannung einge stellt wird, um zu ermöglichen, dass Elektronen jeweils in die Barrierenmetall schicht und das Metall bis zu ungefähr einer Tiefe von näherungsweise 150 nm eindringen.

19. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bestimmen der Eigenschaften der Grenzfläche in spezifizierten Testbereichen auf dem Substrat ausgeführt wird.

20. Das Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Bestimmen der Eigen schaften der Grenzfläche an mehreren spezifizierten Stellen auf dem Substrat, um die Prozess-Qualität im Wesentlichen über die gesamte Substratfläche zu überwachen.

21. Das Verfahren nach Anspruch 20, wobei ein Strahl beschleunigter Elektronen auf die mehreren spezifizierten Stellen gerichtet wird.

22. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bestimmen der Eigenschaften auf einem nichtzerstörten Bereich des Substrats durchgeführt wird.