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Die
Erfindung betrifft unter anderem eine integrierte Schaltungsanordnung,
die eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Leitstrukturen enthält, die
gemäß einer
Kornstruktur strukturiert sind. Insbesondere sind Leitstrukturen
aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung betroffen.
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Mit
abnehmenden minimalen Strukturbreiten ist ein Trend in der Halbleitertechnik
hin zu immer kürzeren
Temperzeiten zu beobachten. Sowohl die Summe der Zeit für Tempervorgänge als
auch die Dauer einzelner Temperschritte verkürzt sich, weil auch mit kurzen
Tempervorgängen
bei kleinen Abmessungen bereits eine ausreichende Ausheilung von
Materialfehlern oder eine ausreichende Kornbildung auftritt. So
werden RTP-Verfahren
mit wenigen Sekunden Temperzeit angewendet.
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Leitbahnen
aus Kupfer werden üblicherweise
mit einem Barrierematerial umkleidet, das vorzugsweise keine Legierung
mit Kupfer bildet und das eine Diffusionsbarriere für Kupferatome
gegen Ausdiffusion in das Intermetalldielektrikum bzw in das Substrat
darstellt. Die elektrische Leitfähigkeit
des Barrierematerials ist kleiner als die des Kupfers. Jedoch wird
durch die Auskleidung die Beständigkeit der
Leitstruktur gegen Elektromigration größer.
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Die
Leitstrukturen lassen sich in Vias und Leitbahnen einteilen. Die
Vias sind in Isolierlagen zwischen zwei Leitbahnlagen angeordnet
und dienen dem vertikalen Stromtransport zwischen den Leitbahnen
verschiedener Ebenen. Die Isolierlage mit den Vias dient außerdem der
kapazitiven Entkopplung von Leitbahnen verschiedener Ebenen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung einfach aufgebaute und einfach herzustellende
integrierte Schaltungsanordnungen anzugeben, deren Leitstrukturen insbesondere
eine hohe Stromtragfähigkeit
aufgrund einer verminderten Neigung zur Elektromigration haben.
Außerdem
sollen Herstellungsverfahren für
solche Schaltungsanordnungen angegeben werden.
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Die
Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass im Vergleich zu bisherigen
Temperzeiten mindestens um den Faktor 2 oder 3 längere Temperzeiten die Stromtragfähigkeit
der Leitstrukturen beträchtlich
erhöhen
können.
Dies gilt auch für
Schaltungsanordnungen mit minimalen Strukturbreiten durch Fotolithografie
kleiner als 100 Nanometer oder sogar kleiner als 50 Nanometer unter
Beachtung des Trends zu kürzeren
Temperzeiten. Die erfindungsgemäße Temperzeit
liegt also bei künftigen
Generationen integrierter Schaltkreise unter den heute üblichen
Temperzeiten, jedoch mindestens um den Faktor 2 oder 3 über den
ohne Nutzung der Erfindung erforderlichen Temperzeiten.
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Aufgrund
der vergleichsweise langen Temperzeiten wird ohne zusätzliche
Maßnahmen
zwar die thermische Belastung der Schaltungsanordnung bei der Herstellung
größer. Jedoch
erhöht
sich die Stromtragfähigkeit
beträchtlich,
was insbesondere bei kleinen Strukturbreiten mit zunächst geringer Stromtragfähigkeit
für die
Funktion der Schaltungsanordnung von großer Bedeutung ist.
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Durch
das lange Tempern kommt es gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung zu einem Eindringen des Barrierematerials
in die Leitstruktur entlang von Korngrenzen. Dies kann zunächst zu
einem Anstieg des elektrischen Widerstandes der Leitstruktur im
Bereich zwischen 3 Prozent und 6 Prozent führen. Überraschender Weise lässt sich
die Stromtragfähigkeit
aber trotzdem erhöhen,
wenn so lange getempert wird, dass eine Barriereschicht an Viaböden oder
an Viadeckflächen
aufgelöst
bzw. stark gedünnt
wird. Bei einem derartig langen Tempern wird das elektrisch leitfähige Barrierematerial
teilweise in einem Korngrenzenbereich der Leitstruktur angeordnet,
der mindestens 5 Nanometer oder der mindestens 10 Nanometer im Innern
der Leitstruktur liegt.
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Bei
einer Weiterbildung grenzt die Vialeitstruktur, an deren Seitenwänden eine
Barriereschicht mit einer Dicke größer als 1 Nanometer angeordnet
ist und an derem Boden eine Barrierematerialschicht dünner als
1 Nanometer bzw. kein Barrierematerial angeordnet ist an eine substratferne
Leitbahn, deren Bodenfläche
an eine Barrierematerialschicht grenzt, die dicker als 1 Nanometer
ist. Insbesondere bei Verwendung einer Dualen Damascene-Technik
zur Herstellung der Leitbahn und der Vialeitstruktur kann durch
das Tempern Barrierematerial am Viaboden selektiv zu Barrierematerial
am Leitbahnboden entfernt werden. Die Selektivität hat ihre Ursache bspw. darin,
dass am Viaboden Barrierematerial nach oben und unten beim Tempern
entlang von Korngrenzen diffundiert und ggf. zusätzlich lateral längs einer
Cu/SiN-Grenzfläche,
während
am Leitbahnboden nur eine Diffusion nach oben entlang von Korngrenzen
möglich
ist. Bei diesem Verfahren enthält
auch die Vialeitstruktur Barrierematerial insbesondere mindestens
5 Nanometer oder mindestens 10 Nanometer im Innern der Vialeitstruktur.
Das Barrierematerial befindet sich in der Vialeitstruktur insbesondere
in der Nachbarschaft zur Leitbahn.
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Jedoch
lässt sich
die Selektivität
auch dadurch erreichen, dass getempert wird, wenn nach der Abscheidung
von Barrierematerial am Viaboden, an den Viaseitenwänden, am
Leitbahnboden der substratfernen Leitbahn und an den Seitenflächen der
substratfernen Leitbahn noch kein Leitmaterial bzw. Kupfer in das
Via und in die obere Leitbahnaussparung eingebracht worden ist.
In diesem Fall wird beim Tempern die Barriereschicht am Viaboden
durch Materialdiffusion in die untere Leitbahn gedünnt, während das übrige Barrierematerial
nicht an Leitstrukturen angrenzt und demzufolge nicht durch Korngrenzen- oder ggf. Grenzflächendiffusion
abtransportiert werden kann.
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Bei
dieser Ausgestaltung ist die Vialeitstruktur barrierematerialfrei
oder die Vialeitstruktur ist abgesehen von einem Randbereich oder
mehreren Randbereichen, die sich weniger als 5 Nanometer ins Innere
der Vialeitstruktur (550) erstrecken, barrierematerialfrei
ist. Die geringe Ausdiffusion von Barrierematerial ist auf kurze
Tempervorgänge
zurückzuführen, die
nach dem Tempern zum Entfernen des Barrierematerials am Viaboden
durchgeführt
werden.
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Bei
einer anderen Weiterbildung wird durch das lange Tempern Barrierematerial
an einer Deckfläche
einer Vialeitstruktur entfernt bzw. gedünnt. Die beiden oben erwähnten selektiven
Verfahren zur Entfernung des Barrierematerials lassen sich auch
hier anwenden. Bei der Verwendung des ersten Verfahrens enthält die Leitbahn
Barrierematerial, insbesondere mindestens 5 Nanometer oder mindestens
10 Nanometer im Innern der Leitbahn. Bei dem zweiten Verfahren ist
die Leitbahn dagegen barrierematerialfrei oder die Leitbahn ist
abgesehen von einem Randbereich oder mehreren Randbereichen, die
sich weniger als 5 Nanometer ins Innere der Vialeitstruktur erstrecken
barrierematerialfrei.
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Die
Weiterbildung wird sowohl bei Leitstrukturen eingesetzt, die nach
dem Einfach-Damascene-Verfahren oder nach einem sogenannten subtraktiven
Verfahren hergestellt worden sind. Die subtraktiven Verfahren werden
verwendet, wenn Damascene-Verfahren
nicht mehr anwendbar sind, insbesondere bei einer Breite der Leitbahn
größer als
30 Mikrometer und/oder einer Dicke der Leitbahn größer als
5 Mikrometer. Insbesondere Hochstromanwendungen benötigen breite
Leitbahnen. Die Stromtragfähigkeit
ist aufgrund der hohen Stromdichte dann auch für breite Leitbahnen wichtig.
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Bei
einer Weiterbildung erstreckt sich Barrierematerial kontinuierlich
vom Rand der Leitstruktur entlang einer Korngrenze bis in das Innere
der Leitbahn. Jedoch kann bei sehr langen Tempern auch ein "Abreißen" des Barrierematerials
auftre ten, so dass eine Lücke
zwischen dem Ort entsteht, aus dem das Barrierematerial in die Korngrenze
diffundiert ist und dem Ort an dem das Barrierematerial nach der
Herstellung angeordnet ist. Jedoch ist auch in diesem Fall das Barrierematerial
kontinuierlich entlang der Korngrenze entlang einer Strecke größer 5 Nanometer
oder größer 10 Nanometer
angeordnet.
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Bei
einer nächsten
Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gemäß ersten Aspekt
gibt es eine amorphe elektrisch leitfähige Barrierematerialschicht,
die angrenzend an die Leitstruktur angeordnet ist. Solche amorphen
Schichten entstehen durch das lange Tempern. Beispielsweise entsteht
aus kubisch raumzentrierten alpha Tantal bei einer Temperdauer größer 30 Minuten
und einer Temperatur größer 420
Grad Celsius eine schmale Zone aus amorphem Tantal an einer Cu/Ta-Grenzfläche. Mit
Bezug zu dem nachfolgend erläuterten
zweiten Aspekt der Erfindung kann das amorphe Material zur Ausdiffusion
von Barrierematerial entlang von Grenzflächen genutzt werden. Damit
wird sowohl Barrierematerial am Viaboden oder an einer Viadeckfläche entfernt
als auch Barrierematerial durch Grenzflächendiffusion auf Leitstrukturen
aufgebracht. Die erforderliche Gesamttemperdauer wird bei einer
Ausgestaltung durch die für
das Entfernen bestimmte Temperdauer bestimmt, wenn die Grenzflächendiffusion
schneller verläuft
als die Korngrenzendiffusion zwischen einander benachbarten Körnern der
Leitstruktur.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung, der unabhängig vom ersten Aspekt genutzt
werden kann, geht von der Überlegung
aus, dass es durch das lange Tempern zu einer Barrierematerialdiffusion
entlang von Grenzflächen
der Leitstruktur zu einem anderen Material kommt, bspw. zu einem
dielektrischen Material. Die Grenzflächendiffusion wird ausgenutzt,
um die Leitstruktur mit Barrierematerial selbstjustierend teilweise
oder vollständig
zu bedecken. Auch hier steigt der elektrische Widerstand der Leitbahn
in einem Bereich zwischen 3 Prozent und 6 Prozent aufgrund der nicht
zu verhindernden Korngrenzendiffusion an. Jedoch verbessert sich
die Stromtragfähigkeit auf
Grund der allseitigen Ummantelung erheblich, so dass die geringe
Vergrößerung des
Widerstandes die Stromtragfähigkeit
nur unwesentlich beeinträchtigt.
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Das
vor der Grenzflächendiffusion
bspw. am Kupfer anliegende Barrierematerial ist bspw. ein dielektrisches
Material, das ein Ausdiffundieren von Kupfer in ein nachfolgend
abgeschiedenes Dielektrikum verhindern soll. Anstelle von Siliziumnitrid
SiN wird bei anderen Ausführungsbeispielen
auch Siliziumcarbid SiC, Siliziumkohlenstoffnitrid SiCN, oder ein
Blok-Material (Barrier
low k) verwendet.
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Eine
Kombination der beiden Aspekte in einer integrierten Schaltungsanordnung
führt zu
besonders stromtragfähigen
Leitstrukturen, die allseitig mit Barrierematerial umgeben sind
und an Viaböden und
Viadeckflächen
keine dicken Barrierematerialschichten haben.
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Das
Material für
die Grenzflächendiffusion tritt
besonders aus amorphen Material, bzw. aus amorphen Bereichen aus,
das bzw. die sich bspw. bei längerem
Tempern bildet. Deshalb enthält
die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
gemäß zweitem
Aspekt eine elektrisch leitfähige
Leitstruktur, die an eine amorphe Barrierematerialschicht grenzt. Eine
durch die Grenzflächendiffusion
entstandene Barrierematerialschicht ist bei einer Ausgestaltung dünner als
1 Nanometer, insbesondere in Bereichen mit lateralen Abmessungen
größer als
10 Nanometern. Weiterhin ist die durch Grenzflächendiffusion entstandene Barrierematerialschicht
homogen bzgl. ihrer Zusammensetzung, z.B. elementar. Bei einer Ausgestaltung
grenzt die homogene Barriereschicht auf der einen Seite an die Leitbahn
und an der anderen Seite an ein Dielektrikum, d.h. an mindestens
einer Seite der Leitbahn wird keine Doppel- bzw. Mehrfachschicht
aus mehreren elektrisch leitfähigen Schichten unterschiedlicher
Materialzusammensetzung oder mit unterschiedlicher Materialstruktur
verwendet.
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Bei
einer Weiterbildung enthält
die Schaltungsanordnung außerdem
eine polykristalline elektrisch leitfähige Barrierematerialschicht
die zwischen der Leitstruktur (106) und dem Grenzmaterial
angeordnet ist. Die amorphe Schicht ist zwischen der Barrierematerialschicht
und der Leitstruktur angeordnet und besteht überwiegend aus einem elektrisch
leitfähigen
Material, das auch in der polykristallinen Barriereschicht enthalten
ist oder aus dem die polykristalline Barriereschicht besteht.
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Bei
einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß zweiten Aspekt ist an einer
substratfernen Deckfläche
der Leitstruktur eine Barrierematerialschicht ohne Überstand über ein
seitlich der Leitstruktur liegendes Dielektrikum angeordnet. Bei der
Verwendung eines fotolithografischen Verfahrens zur Strukturierung
einer Barriereschicht auf der Deckfläche würde ein solcher Überstand
an zwei voneinander abgewandten Seitenflächen der Leitstruktur auftreten.
Zumindest tritt der Überstand bei
Verwendung eines fotolithografischen Verfahrens aber an einer Seitenfläche auf.
Dagegen gibt es bei der Verwendung eines selbstjustierenden Verfahrens keinen Überstand,
d.h. insbesondere nicht bei der selbstjustierenden Beschichtung
durch Grenzflächendiffusion.
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Bei
einer Weiterbildung ist die Leitstruktur eine Leitbahn, die abgesehen
von Grenzen zu anderen Leitstrukturen vollständig mit einem elektrisch leitfähigen Barrierematerial
umgeben ist. An mindestens einer Seitenfläche der Leitbahn ist eine Barriereschicht
mit einer Schichtdicke größer 2 Nanometer oder
größer 4 Nanometer
angeordnet und an mindestens einer Seitenfläche der Leitbahn eine Barriereschicht
mit einer Schichtdicke kleiner als 1 Nanometer angeordnet. Die dickere
Barriereschicht enthält insbesondere
die amorphe Barriereschicht und dient als Quelle für Barrierematerial,
das auf grund der Grenzflächendiffusion
beim Tempern transportiert wird und das die dünne Barriereschicht bildet.
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Bei
einer nächsten
Weiterbildung besteht die Leitstruktur aus Kupfer oder aus einer
Kupferlegierung mit mindestens 90 Atomprozent Kupfer. Alternativ
besteht die Leitstruktur aus Gold oder aus einer Goldlegierung mit
mindestens 90 Atomprozent Gold. Bei einer anderen Weiterbildung
ist das Barrierematerial Tantal, Tantalnitrid, Titan, Titannitrid,
Wolfram, Wolframnitrid oder Titanwolfram. Auch andere Refraktärmetalle
oder Refraktärmetalllegierungen
sind geeignet.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren bei dem einmal oder mehrmals getempert wird. Durch
das Tempern wird eine Barrierematerialschicht zwischen einer Vialeitstruktur
und einer Leitbahn entfernt, durchbrochen oder um mindestens 50
Prozent oder um mindestens 90 Prozent gedünnt. Dieses Verfahren dient
zum Herstellen einer Schaltungsanordnung gemäß erstem Aspekt, so dass die
oben genannten technischen Wirkungen auch für das Verfahren gelten.
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Das
Barrierematerial wird bei einer Weiterbildung durch Diffusion entlang
von Korngrenzen einer Leitstruktur und durch Grenzflächendiffusion
entlang einer Grenzfläche
zwischen zwei verschiedenen Materialien entfernt, wobei der Hauptteil
des Barrierematerials durch Korngrenzendiffusion abtransportiert wird,
die Grenzflächendiffusion
jedoch insbesondere in Randbereichen der zu entfernenden Barrierematerialschicht
unterstützend
wirkt. Bei einer Alternative wird nur Korngrenzendiffusion genutzt.
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Bei
einer Ausgestaltung wird das zu entfernende Barrierematerial in
einer Dicke bis 2 Nanometern abgeschieden, wobei in Summe mindestens
1,5 Stunden getempert wird. Hat das zu entfernende Barrierematerial
eine Dicke im Bereich von 2 Nanometern bis 5 Nanometern, so wird
bei einer anderen Weiterbildung in Summe mindestens 3 Stunden getempert.
Die Temperatur beim Tempern ist dabei gleich 430°C. Bei Temperaturen größer als
430 Grad Celsius und kleiner als 500 Grad Celsius verkürzen sich
die angegebenen Mindesttemperzeiten und können bspw. empirisch bestimmt
werden. Durch die Einhaltung dieser Temperparameter wird eine ausreichende
Entfernung des Barrierematerials gewährleistet. Die Obergrenze für die Temperdauer
wird durch den Zeitpunkt bestimmt zu dem ausreichend Barrierematerial
entfernt ist. Auch der noch vertretbare Durchsatz bestimmt die Temperatur
und die Temperdauer. Außerdem
sollten Barrierematerialschichten an Seitenwänden der Leitstruktur nicht
zu stark gedünnt
werden. Getempert wird bspw. in einem kontinuierlichen Tempervorgang über die
genannten Zeiten oder mit mehren Tempervorgängen, wobei die genannten Zeiten
die Summe der Zeiten für
alle Tempervorgänge
betreffen. Zwischen zwei Tempervorgängen werden bspw. Schichten
abgeschieden oder strukturiert.
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Als
alternatives Maß zu
den Temperparametern lässt
sich angeben, dass während
des Temperns zu entfernendes Barrierematerial entlang von Korngrenzen
um mindestens 5 Nanometer oder um mindestens 10 Nanometer transportiert
und damit ausreichend verteilt wird, um die Stromtragfähigkeit
zu erhöhen.
Die Erfindung betrifft außerdem
ein weiteres Verfahren, bei dem einmal oder mehrmals getempert wird.
Sekundär-Barrierematerial
wird bei diesem Tempern aus Ursprungs-Barrierematerial durch Grenzflächendiffusion
entlang der Grenzfläche
einer Leitstruktur transportiert, so dass insbesondere eine Schaltungsanordnung
gemäß zweitem
Aspekt entsteht. Die oben genannten technischen Wirkungen gelten
somit auch für
das weitere Verfahren.
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Bei
einer Weiterbildung befindet sich eine Ursprungs-Barriereschicht:
- – an einer
Seitenfläche
der Leitstruktur,
- – an
einer Grenze zu einer Vialeitstruktur, oder
- – auf
Teilbereichen der Fläche
der Leitstruktur, an der die Grenzflächendiffusion auftritt, wobei
die Schichtdicke der Ursprungs-Barriereschicht in den Teilbereichen
z.B. kleiner als 10 Nanometer oder sogar kleiner als 5 Nanometer
ist.
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Besonders
gut sind amorphe Ursprungsbarriereschichten als Quelle für das Barrierematerial
geeignet, das entlang der Grenzfläche diffundiert. Insbesondere
an schwer zu beschichtenden Kanten und Ecken der Leitstruktur sind
amorphe Ursprungsbarriereschichten sehr hilfreich. Amorphe Ursprungsbarriereschichten
bilden sich bspw. durch Tempern.
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Bei
einer Weiterbildung wird vor dem Tempern für die Grenzflächendiffusion
durch Vortempern Barrierematerial aus dem Innern der Leitbahn an
die Außenfläche der
Leitbahn transportiert, insbesondere entlang von Korngrenzen. Alternativ
wird durch Vortempern Barrierematerial aus einem elektrisch leitfähigen Hilfsbereich
in einen Bereich der Leitbahn transportiert, in dem nach dem Entfernen
des Hilfsbereiches die Außenfläche der
Leitbahn liegt. Auch hier tritt während des Vortemperns insbesondere
Korngrenzendiffusion auf. Durch dass Haupttempern für die Grenzflächendiffusion
wird Barrierematerial aus den Korngrenzen, die an der Grenzfläche münden, an
die Grenzfläche
transportiert und dort durch Grenzflächendiffusion verteilt.
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Als
Maß zur
Beschreibung des Haupttempervorgangs lässt sich angeben, dass die
Transportstrecke des Barrierematerials während des Temperns mit Grenzflächendiffusion
größer als
10 Nanometer oder größer als
20 Nanometer ist. Das Haupttempern folgt dem Vortempern bei einem
Ausführungsbeispiel
unmittelbar. Die Transportstrecke beträgt bei einer Ausgestaltung
mindestens eine halbe minimale Leitbahnbreite einer in der Schaltungsanordnung
angeordneten Leitbahn.
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Bei
einer Ausgestaltung hat die Leitstruktur eine Breite größer 200
Nanometern. In Summe wird mehr als 4 Stunden bei 430°C oder mehr
als 8 Stunden bei 430°C
getempert. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel hat die Leitstruktur
eine Breite im Bereich von 100 Nanometern bis 200 Nanometern, wobei
in diesem Fall in Summe mehr als 2,5 h bei 430°C oder mehr als vier Stunden
bei 430°C
getempert wird. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel hat die Leitstruktur
eine Breite größer 50 Nanometer und
es werden mehr als 60 Minuten (430°C) getempert. Die Temperatur
beim Tempern ist dabei größer als
420 Grad Celsius und kleiner als 510 Grad Celsius bzw. größer als
430 Grad Celsius und kleiner als 500 Grad Celsius. Durch die Einhaltung
dieser Temperparameter wird ein ausreichendes Aufbringen des Barrierematerials
in noch nicht bedeckten Leitbahnbereichen gewährleistet. Die Obergrenze für die Temperdauer
wird durch die Leitbahnbreite bzw. durch die Breite der Leitbahn
und die Breite von Ablagerungen auf zu beschichtenden Bereichen
der Leitstruktur bestimmt. Getempert wird bspw. in einem kontinuierlichen
Tempervorgang über
die genannten Zeiten oder mit mehren Tempervorgängen, wobei die genannten Zeiten
die Summe der Zeiten für
alle Tempervorgänge
betreffen. Zwischen zwei Tempervorgängen werden bspw. Schichten
abgeschieden oder strukturiert. Für die durch Grenzflächendiffusion
zurückgelegte
Entfernung gibt eine Wurzelfunktion die Abhängigkeit von der Temperzeit
an. Umgekehrt ist die Abhängigkeit
quadratisch, siehe die Formel am Ende der Beschreibung.
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Bei
Ausgestaltungen wird die zum Tempern erforderliche Wärme stärker den
Leitstrukturen zugeführt
als in der Umgebung der Leitstrukturen, vorzugsweise durch Mikrowelleneinkopplung,
durch induktive Einkopplung oder durch Laserstrahleinkopplung. Durch
die selektive Wärmezuführung lässt sich die
Temperaturbelastung von wärmeempfindlichen Bereichen
der Schaltungsanordnung trotz der langen Temperdauer und der hohen
Tempertemperaturen verringern. Insbesondere Diffusionsbereiche von Halbleiterbauelementen
oder wärmeempfindliche "low k"-Dielektrika werden
so geschützt.
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Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin
zeigen:
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1 eine
Herstellungsstufe zur Beschichtung einer Leitbahn durch Grenzflächendiffusion,
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2 eine
Herstellungsstufe eines Verfahrens, bei dem die Grenzflächendiffusion
durch nicht konforme Abscheidung von Barrierematerial unterstützt wird,
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3 eine
Herstellungsstufe eines Verfahrens, bei dem nach einer selektiven
Beschichtung noch unbeschichtete Bereiche durch Grenzflächendiffusion
beschichtet werden,
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4 eine
Herstellungsstufe eines Verfahrens, bei dem durch Vortempern im
Innern der Leitbahn eingebrachtes Barrierematerial aus dem Innern der
Leitbahn an eine spätere
Außenfläche der
Leitbahn transportiert wird,
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5 eine
Herstellungsstufe eines Verfahrens, bei dem durch Vortempern Barrierematerial
aus einem an die Leitbahn angrenzenden Hilfsbereich an eine spätere Außenfläche der
Leitbahn transportiert wird,
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6 eine
Herstellungsstufe eines Verfahrens, bei dem ein CMP-Prozess unterbrochen
wird, um Barrierematerial ganzflächig
abzuscheiden und durch Vortempern in Korngrenzen einzutreiben,
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7 eine
Herstellungsstufe eines Verfahrens, bei dem eine Barrierematerialschicht
durch ein fotolithografisches Verfahren strukturiert wird,
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8A und 8B Herstellungsstufen
eines Verfahrens, bei dem eine Leitstruktur, die mit einem anderen
Verfahren als ein Damascene-Verfahren hergestellt worden ist, vollständig mit
einem Barrierematerial umgeben wird,
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9 eine
Herstellungsstufe eines Verfahrens, bei dem Barrierematerial an
einem Viaboden in die darunter liegende Leitbahn entfernt wird,
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10 eine
Herstellungsstufe eines Verfahrens, bei dem Barrierematerial an
einem Viaboden in die darunter liegende Leitbahn und in eine angrenzende
Vialeitstruktur entfernt wird, und
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11 eine
Herstellungsstufe eines Verfahrens, bei dem an einer Viadeckfläche Barrierematerial
entfernt wird.
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Die 1 zeigt
eine Herstellungsstufe zur Beschichtung einer Leitbahn durch Grenzflächendiffusion.
Eine integrierte Schaltungsanordnung 100 enthält in einem
nicht dargestellten Siliziumsubstrat eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen,
z.B. von Transistoren. In einer Isolierlage 102 befindet
sich eine mit einer elektrisch leitfähigen Barriereschicht 104 ausgekleidete
Aussparung. Die Barriereschicht 104 ist beispielsweise
eine Tantal/Tantalnitrid Doppelschicht, bei der das Tantalnitrid
an der Isolierlage 102 liegt, oder eine Tantalschicht,
insbesondere eine α-Tantalschicht
mit einer Schichtdicke beispielsweise im Bereich von 10 bis 50 nm.
Im Ausführungsbeispiel hat
die Aussparung eine Breite von beispielsweise 600 nm. In die Aussparung
wurde nach dem Aufbringen der Barriereschicht 104 Kupfermaterial
eingebracht. Anschließend
wurde das Kupfer mit Hilfe eines chemischmechanischen Polierverfahrens
(CMP) planarisiert, wobei eine Leitbahn 106 in der Aussparung
entstand. Nach dem Planarisieren wurde eine dielektrische Barriereschicht 108 ganzflächig abgeschieden,
beispielsweise eine Siliziumnitridschicht mit einer Schichtdicke
im Bereich von 30 nm bis 60 nm.
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Nach
dem Abscheiden der dielektrischen Barriereschicht 108 wurde
ein Temperverfahren bei Temperaturen von 450°C für eine Zeitdauer von mehreren
Stunden durchgeführt,
wobei Barrierematerial 104 entlang der Grenzfläche zwischen
der dielektrischen Barriere 108 und der Leitbahn 106 von
beiden Seitenflächen
der Leitbahn 106 her durch Grenzflächendiffusion die Deckfläche der
Leitbahn 106 beschichtet, siehe Pfeile 110. Gleichzeitig
tritt eine nicht zu verhindernde Korngrenzendiffusion auf, siehe Pfeile 112.
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Nach
dem langen Tempern hat sich Barrierematerial an der Kupfer/Siliziumnitrid-Grenzfläche angereichert,
bspw. gibt es an Kupferkorngrenzen keine direkte Kupfer-Siliziumnitrid-Grenzfläche mehr,
so dass die bezüglich
Elektromigration schwächste
Stelle an der Leitbahn 106 beseitigt worden ist. Die Folge ist
eine erhebliche Erhöhung
der Stromtragfähigkeit der
Leitbahn 106, beispielsweise um den Faktor 8 bei 0,6 μm breiten
Kupferleitbahnen. Aufgrund der dünnen
Tantalschicht an der Deckfläche
der Leitbahn 106 sind Kupferdiffusionswege entlang der
Grenzfläche
Kupfer zu Siliziumnitrid blockiert. Dies führt zu einer verlängerten
Lebensdauer der Leitbahn 106 und zu einer verbesserten
Stromtragfähigkeit.
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Die
lange Temperung unterscheidet sich mindestens in Zeit und/oder Temperatur
sowie auch noch im Prozess-Stadium von der bekannten ersten Temperung
nach der Kupferabscheidung 106, durch welche die Ausheilung
des Korns und des Gefüges erreicht
wird. Überraschenderweise
diffundiert das Barrieremetall längs
der Kupfer/SiN-Grenzfläche schneller
als entlang der Kupferkorngrenzen. Dies führt zu einer vergleichsweise
schnellen Gleichverteilung und Anreicherung des Tantals an der kritischen Grenzfläche. Hierbei
steht Cu/SiN exemplarisch für alle üblichen
Kupfer/Dielektrika-Grenzflächen,
d.h. beispielsweise für
eine Grenzfläche
Kupfer zu SiC (Siliziumcarbid), SiCN (Siliziumkohlenstoffnitrid), BLOK
(Barrier with Low Dielectric Constant k). Im Ausführungsbeispiel
enthält
die an der Grenzfläche entstehende
Tantalschicht nur einige Atomlagen, beispielsweise nur weniger als
fünf Atomlagen
oder nur weniger als zehn Atomlagen. Durch das lange Tempern entsteht
außerdem
zwischen der Barriereschicht 104 und der Leitbahn 106 eine
amorphe Tantalschicht aus der Tantal für die Grenzflächendiffusion
austritt.
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Es
handelt sich um einen einfachen, kostengünstigen Prozess, der selbstjustierend
ist und keiner Lithographie- oder Ätzschritte bedarf um Barrierematerial
an die beschriebenen Stellen zu bringen und um wie beschrieben zu
wirken. Die dafür
benötigten
Anlagen sind in jeder Fertigung vorhanden bzw. kostengünstig anzuschaffen.
Komplizierte Lithografie- oder Ätzschritte
sowie aufwendige Prozesskontrollen werden nicht benötigt. Das
Verfahren ist sowohl für
Damascene- als auch für
RIE- (Reactive Ion Etching)-Leitbahnen anwendbar. Das Verfahren wird
in mindestens einer oder in allen Metall lagen der integrierten Schaltungsanordnung 100 angewendet. Kombinationen
mit anderen thermischen Prozessen sind auch möglich.
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Bei
dem an Hand der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
wurde die Tantalgrenzflächendiffusion
bei unerwartet niedrigen Temperaturen ab ca. 400°C und kleiner als 500°C durch die
folgenden Maßnahmen
erreicht:
- – Die
Barriereschicht 104 lag als Doppelschicht Tantalnitrid/Tantal
vor,
- – die
TaNX-Komponente war unterstöchiometrisch,
wobei X kleiner als 1 bzw. kleiner als 0,75 war,
- – das
Tantalmetall der Barriereschicht 104 lag teilweise als α-Tantal vor,
d.h. als kubisch raumzentrierte Kristallstruktur,
- – die
dielektrische Barriere 108 wurde mit PECVD (Plasma Enhanced
Chemical Vapor Deposition) als Multilagenschicht abgeschieden,
- – das
Barrierematerial, d.h. hier das Tantal, bildete in dem beim Tempern
verwendeten Temperaturbereich keine Legierung mit dem Kupfer und
zeigte eine in Kupfer vernachlässigbare
Löslichkeit,
- – an
der Kupfer/Tantalgrenzfläche,
d.h. an der Seitenwand und am Boden der Leitbahn 106, bildete
sich eine amorphe, stark tantalreiche Zone, in der und aus der Tantal
bei den überraschenden milden
thermischen Aktivierungen ausdiffundiert,
- – am
Ende des Aktivierungsprozesses wurde vergleichsweise langsam abgekühlt, wobei
die Abkühlrate
kleiner als 20 Kelvin/Minute war, und
- – an
der Kupfer/Siliziumnitrid-Grenzschicht reicherte sich eine dünne, amorphe,
tantalhaltige Schicht an, deren Wirkung bei einer Dicke von wenigen
Atomlagen bzw. bereits bei Bruchteilen einer Atomlage einsetzt.
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Die
folgenden experimentellen Ergebnisse gelten für das Ausführungsbeispiel gemäß der 1:
- – Die
Grenzflächendiffusion
des Tantals ist bei 0,6 μm
breiten Leitbahnen 106 ab 430°C für zehn Stunden Temperzeit zu
beobachten. Es ergibt sich eine Verbesserung der Lebensdauer um
mindestens den Faktor 10 für
eine 0,6 μm
breite Leitbahn 106 nach Lagerung bei 450°C für eine Temperzeit
von zwanzig Stunden ohne zusätzliche "unterstützende Prozesse". Unterstützende Prozesse
dienen der verstärkten
Heranführung
von Barrierematerial an oder in den Grenzflächenbereich an dem die Grenzflächendiffusion
stattfinden soll. In schmaleren Bahnen ist eine geringere Temperzeit
notwendig, weil die Diffusionslänge proportional
der Wurzel aus der Temperzeit ist. So ergibt sich bei einer 200
nm breiten Bahn, d.h. bei einer 0,18 μm-Technologie, bei einer Diffusionslänge von
100 nm eine Temperzeit von 2,2 Stunden bei 450°C.
- – Die
Tantaldiffusion konnte mittels SIMS (Secundary Ion Mass Spectrometry)
und TEM (Transmission Electron Microscopy) nachgewiesen werden,
und
- – die
Tantaldiffusion führte
zu einem Widerstandsanstieg kleiner als 5 % in 0,6 μm breiten Leitbahnen
bei der oben erwähnten
deutlich höheren
Stromtragfähigkeit.
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Überraschenderweise
bewirken bereits geringe Tantalanteile an der Grenzfläche zwischen
dem Barrierematerial 108 und dem Kupfer 106 ,
z.B. Tantalanteile kleiner als 5 Prozent der Grenzfläche, eine beträchtliche
Erhöhung
der Elektromigrationsfestigkeit, insbesondere wenn Kupferkorngrenzen
an der Grenzfläche
mit Tantal bedeckt sind. Bei der Erläuterung der Ausführungsbeispiele
steht Tantal stellvertretend für
alle metallische Barrierematerialien, die in dem beim Tempern genutzten
Temperaturbereich keine Legierung mit Kupfer bilden und nur eine
sehr geringe Löslichkeit
in Kupfer besitzen. So kann z.B. an Stelle von Tantal bzw. Tantalnitrid
auch Wolfram, Wolframnitrid, Titanwolfram, Titan oder Titannitrid
als Barriere verwendet werden. Das Barrierenmaterial stammt alternativ
auch aus einer nichtleitenden Barriere bzw. ist elektrisch nichtleitend.
Es diffundiert dann das entsprechen de Element oder die entsprechende
Komponente entlang der Grenzfläche
und führt
zu einer gleichmäßigen Verteilung
an der Grenzfläche.
Im übrigen
lassen sich die an Hand der Figuren erläuterten Verfahren sowohl in
Metallisierungsebenen durchführen,
die mit einem Einfach-Damascene- oder mit einem Dual-Damascene-Verfahren
hergestellt worden sind. Auch lassen sich die Verfahrensschritte
anwenden, wenn "subtraktiv" erzeugte Leitbahnen
benutzt werden d.h. z.B. durch RIE, lift-off, pattern plating oder ähnliches.
-
Die
Aktivierung der Tantaldiffusion aus der Barriere kann nach unterschiedlichen
Prozessstadien bei der Waferbearbeitung erfolgen, z.B.:
- – nach
dem Abdecken mit Siliziumnitrid oder einem anderen Dielektrikum,
insbesondere aber vor dem Herstellen weiterer Metallisierungslagen
der Schaltungsanordnung,
- – nach
der Fertigstellung einer bestimmten Metallisierungslage, insbesondere
aber vor der Herstellung weiterer Metallisierungslagen,
- – nach
der Herstellung mehrerer Metallisierungslagen, aber noch vor der
Herstellung weiterer Metallisierungslagen,
- – nach
der Herstellung aller Metallisierungslagen der Schaltungsanordnung,
insbesondere aber noch vor der finalen Passivierung des Wafers, oder
- – nach
der finalen Passivierung des Wafers.
-
Die
zuletzt genannte Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die ohnehin
vorgesehene finale Temperung und der Temperschritt in einem einzigen Verfahren
durchgeführt
werden können.
Der Aktivierungsschritt kann gegebenenfalls auch mit anderen Schritten
vor Auslieferung des Bausteins zusammengelegt werden, z.B. mit einem
sogenannten Burn-in-Schritt, bei dem die Schaltungsanordnung bei
erhöhter
Temperatur getestet oder stabilisiert wird.
-
Zur
thermischen Aktivierung des Wafers bezüglich der Grenzflächendiffusion
gibt es unter anderem die folgenden Möglichkeiten:
- – Die thermische
Aktivierung des Wafers oder von Einzelbausteinen bei Temperaturen
größer 350°C bis 550°C mit Hilfe
eines Ofenprozesses, insbesondere für unterschiedliche Zeiten,
- – falls
ein geringeres Temperaturbudget verwendet werden muss, um z.B. Transistoren,
Metallisierungselemente oder Dielektrika vor Degradation zu bewahren,
so können
auch verschiedene Methoden zur selektiven Aufheizung der Leitbahnen
bzw. zur selektiven Aufheizung von Randbereichen der Leitbahnen
verwendet werden, unter anderem:
- – eine
selektive Erwärmung
der Leitbahn durch Mikrowel lenanregung, bevorzugt im Bereich der Resonanzfrequenz
einer Leitbahn. Die Resonanzfrequenzen sind längenabhängig und liegen im Bereich
kleiner als 1000 GHz. Realisiert werden kann die Mikrowellenanregung
z.B. mit Hilfe einer Wanderfeldröhre
(Magnetron) oder eines Hohlraumresonators.
- – Die
selektive Heizung der Metallstrukturen ist ebenfalls möglich, z.B.
durch indirekte Heizung oder durch induktive Energieeinkopplung
in den Wafer. Benötigte
Frequenzen liegen im Bereich von 10 kHz bis 1 MHz. Aufgrund der
Leitbahndimensionen ist der Skineffekt vernachlässigbar. In einem Sonderfall
werden als "Heizdraht" oder als Spulenwicklung
Strukturelemente verwendet, die bereits auf dem Wafer vorliegen.
Beispielsweise aus den ohnehin in jeder Ebene benötigten metallischen
Stützstellen
aufgebaut oder aus Elementen, die dafür zusätzlich integriert werden.
- – Andere
Methoden der selektiven Heizung nutzen opti sche Verfahren zur Energieeinspeisung. Die
Selektivität
kann z.B. durch eine räumliche Begrenzung
des aktivierten Bereichs erreicht werden, beispielsweise durch eine
lokale Erwärmung der
Leitbahn mittels Laser oder durch Nutzung der bevorzugten Lichtabsorpti on
und bevorzugten Aufheizung metallischer Strukturen im Vergleich zu
Dielektrika, wie sie beispielsweise bei RTP-Verfahren (Rapid Thermal
Processing) bekannt ist.
-
Bei
den folgenden Ausführungsbeispielen gibt
es bspw. zumindest in einigen Metallisierungslagen neben schmalen
Leitbahnen mit minimaler Strukturbreite auch deutlich breitere Leitbahnen,
die z.B. je nach Technologie und Designregel bis zu 25 μm breit sind.
Die in den breiten Leitbahnen fließenden Ströme haben entweder eine vergleichsweise geringe
Stromdichte im Vergleich zu den schmalen Bahnen oder bei Hochstromanwendungen
sind die Stromdichten in den breiten Leitbahnen vergleichbar mit
den Stromdichten in den schmalen Leitbahnen. Werden an Stelle von
Siliziumdioxid als Isoliermaterial sogenannte "Low-k-Dielektrika" verwendet, so sind diese thermisch
sehr empfindlich. Im erstgenannten Fall ist der Diffusionsweg längs der
Kupfer/Siliziumnitridgrenzfläche
sehr lang und die benötigte
Tantalmenge zur Absättigung
der Grenzfläche
ist relativ groß.
Im zweiten Fall muss das thermische Budget für die Aktivierung in zulässigen Grenzen
gehalten werden. In solchen Fällen
können
unterstützend
weitere Prozesse angewandt werden, die zusätzliche Tantalmengen direkt
an die oder nahe an die spätere Kupfer/Siliziumnitridgrenzfläche bringen.
Dadurch wird insbesondere in diesen besonderen Fällen die gewünschte höhere Stromtragfähigkeit
ohne Einschränkung
sichergestellt. Die unterstützenden
Prozesse werden im Folgenden an Hand der 2 bis 8B näher erläutert. Dabei
werden sowohl unterstützende
Prozesse erläutert,
die eine lange thermische Aktivierung voraussetzen als auch unterstützende Prozesse,
die ohne eine solche bzw. mit einer kurzen thermische Aktivierung
auskommen.
-
Die 2 zeigt
eine Herstellungsstufe eines Verfahrens, bei dem die Grenzflächendiffusion
durch nicht-konforme Abscheidung von Barrierematerial unterstützt wird.
Eine Schaltungsanordnung 100b enthält zusätzlich zu einem nicht darge stellten
Halbleitersubstrat eine Isolierlage 102b, z.B. aus Siliziumdioxid.
Eine Aussparung für
eine Kupferleitbahn 106b wird mit geringen Breite im Bereich
von beispielsweise 130 nm bis 500 nm erzeugt. Um die Tantalbarriere
bzw. die Tantalnitridbarriere an der Seitenwand der Leitbahn 106 durch
den bei der späteren Temperung
entstehenden Materialtransport nicht zu stark "auszudünnen", wird die für die Grenzflächendiffusion
notwendige Tantalmenge bereits vorher durch eine gezielte Mehrabscheidung
beim Aufbringen einer Barriereschicht 104b abgeschieden,
beispielsweise durch Verwendung eines nicht konform ausgeführten PVD-Verfahrens
(Physical Vapor Deposition). Dadurch wird der größte Teil des Materials im oberen
Bereich der Aussparung bzw. des Trenches und damit nahe zu der Kupfer/Siliziumnitrid-Grenzfläche, an
der die schnellere Diffusion stattfindet, abgelagert. Die nicht-konforme
Abscheidung lässt
sich durch geeignete Wahl der Plasmaspannungen und der Gasflüsse bei
dem PVD-Verfahren weiter unterstützen.
Auch lässt
sich ein Ausdünnen
des Barrierematerials an den Seitenwänden der Leitbahn 106b oder
ein zu hohes, „nichtverträgliches" Temperaturbudget
dadurch vermeiden, dass zusätzlich "unterstützende" Prozesse verwendet
werden, wie sie unten an Hand der 3 bis 8B erläutert werden.
-
Bei
dem Verfahren gemäß 2 ist
die nichtkonforme Abscheidung der unterstützende Prozess. An die in 2 dargestellte
Herstellungsstufe schließt
sich ein Planarisierungsschritt an, bei dem das über die Aussparung hinausragende
Kupfer und Tantal mit Hilfe eines chemisch-mechanischen Polierverfahrens
entfernt wird. Anschließend
wird eine dielektrische Barriereschicht, z. B. eine Siliziumnitridschicht,
abgeschieden. Danach wird bspw. Siliziumdioxid für die nächste Via- oder Metallisierungslage abgeschieden.
Anschließend
wird die lange Temperung mit Grenzflächendiffusion durchgeführt.
-
Wie
in der 3 dargestellt, wird eine Schaltungsanordnung 100c hergestellt,
indem in eine Isolierlage 102c eine Ausspa rung für eine Leitbahn
eingebracht wird. Es wird ganzflächig
eine elektrisch leitfähige
Barriereschicht 104c abgeschieden, z. B. eine Tantalschicht.
Danach wird Kupfer abgeschieden und planarisiert, wobei auch Tantal
außerhalb
der Aussparung für
eine Leitbahn 106c entfernt wird. Danach wird bei einer
ersten Verfahrensvariante Tantal selektiv durch einen CVD-Prozess (Chemical
Vapor Deposition) unter Verwendung von z.B. TaCl5 oder
von Ta(OC2H5)5 und wasserstoffhaltigen oder anderen reduzierenden
Gasen abgeschieden. Die selektive Abscheidung von Tantal durch CVD
erfolgt beispielsweise bei 400°C.
-
Die
metallische Kupferoberfläche
ist unmittelbar nach dem CMP-Schritt und einem gegebenenfalls durchgeführten Säuberungsschritt
besonders reaktiv und eine geeignete Oberfläche für die selektive Tantalabscheidung,
weil an ihr Wasserstoff leicht dissoziiert und die Tantalabscheidung
bei relativ niedrigen Temperaturen erfolgen kann.
-
Bei
einer zweiten Verfahrensvariante wird nach dem CMP-Verfahren Tantal
selektiv mit einer außenstromlosen
Abscheidung aus einer Elektrolytlösung abgeschieden. Gegebenenfalls
wird vorher ein Reinigungsschritt und eine Vorbehandlung sowie eine
geeignete Aktivierung der Leitbahnoberfläche durchgeführt.
-
Bei
beiden Verfahrensvarianten wird nach der selektiven Tantalabscheidung
einer dielektrischen Barriereschicht, z.B. einer Siliziumnitridschicht,
aufgebracht. Danach wird bspw. Siliziumdioxid für die nächste Isolierlage aufgebracht.
Zu diesem Zeitpunkt oder zu einem späteren Zeitpunkt erfolgt das
lange Tempern zum Hervorrufen der Grenzflächendiffusion.
-
Im
Ausführungsbeispiel
wird eine elektrisch leitfähige
Barriereschicht mit einer Schichtdicke kleiner als 10 nm oder sogar
mit einer Schichtdicke kleiner als 5 nm selektiv abgeschieden. Bei
derart dünnen
selektiv abgeschiedenen Schichten kann nicht gewährleistet werden, dass die
Deckfläche
der Leitbahn 106c vollständig bedeckt ist. Insbesondere
an Fehlstellen oder an verunreinigten Stellen, an denen sich beispielsweise
schon Kupferoxide gebildet haben, gibt es Bereiche, die noch nicht
mit Tantal bedeckt sind. Durch den langen Temperschritt wird erreicht,
dass auch diese Bereiche mit Tantal bedeckt werden und so die Stromtragfähigkeit
der Leitbahn 106c erheblich erhöhen.
-
Die 4 zeigt
einen weiteren "unterstützenden" Prozess. Bei der
Herstellung einer Schaltungsanordnung 100d wird in einer
Isolierlage 102d eine Aussparung für eine Leitbahn 106d erzeugt. Nach
dem Erzeugen der Aussparung wird eine Tantal-Barriereschicht 104d ganzflächig abgeschieden. Danach
wird Kupfer galvanisch mit Hilfe einer Spannungsquelle abgeschieden.
Bevor, gerade wenn oder unmittelbar nachdem die Aussparung vollständig mit
Kupfer gefüllt
ist, wird eine Hilfsschicht 200 aus elektrisch leitfähigem Barrierematerial,
z. B. aus Tantal, abgeschieden, beispielsweise in einer Dicke von
30 nm bis 50 nm. Nach dem Abscheiden der Hilfsschicht 200 wird
weiter Kupfer in der Aussparung abgeschieden, so dass Kupfer zwischen
der Hilfsschicht 200 und der Öffnung 204 der Aussparung liegt.
Anschließend
wird ein CMP-Verfahren durchgeführt,
um Kupfer und Tantal zu entfernen, das außerhalb der Aussparung liegt.
Das CMP-Verfahren wird beim Erreichen der Öffnung 204 der Aussparung
beendet. Anschließend
wird eine dielektrische Schicht, insbesondere eine Barriereschicht,
z. B. eine Siliziumnitridschicht, abgeschieden und es wird der lange Temperschritt
mit Grenzflächendiffusion
durchgeführt.
Dabei diffundiert Barrierematerial 104d von den Seitenflächen der
Leitbahn 106d entlang der Grenzfläche zur Siliziumnitridschicht/Kupferleitbahn 106d. Außerdem diffundiert
Material der Hilfsschicht 200 aus dem Innern der Leitbahn 106d entlang
von Korngrenzen an die Grenzfläche
Siliziumnitrid/Kupfer und verteilt sich an der Grenzfläche durch
Grenzflächendiffusion.
-
Zur
Abscheidung der Hilfsschicht 200 wird bei einer ersten
Verfahrensvariante eine elektrolytische Abscheidung einer stark
tantalhaltigen Komponente aus einem Zweikomponentenelektrolysebad genutzt,
das Kupferverbindungen und Tantalverbindungen enthält, insbesondere
Komplexverbindungen. Durch Veränderung
der Galvanisierspannung lässt
sich auf die Abscheidung der Hilfsschicht 200 umschalten.
Nach dem Abscheiden einer ausreichend dicken Hilfsschicht wird die
Spannung wieder zurückgeschaltet,
so dass wieder hauptsächlich
Kupfer abgelagert wird. Die Dicke der Hilfsschicht 200 lässt sich
beispielsweise über
den Elektrolysestrom kontrollieren. Die benötigten Elektrolyse-Spannungen
lassen sich durch geeignete Wahl der Komplexbildner und des pH-Wertes
ausreichend unterschiedlich und in gut kontrollierbaren Bereichen
einstellen.
-
Bei
einer zweiten Verfahrensvariante werden zur Abscheidung des Kupfers
und zur Abscheidung der Hilfsschicht 200 getrennte Elektrolysebäder in separaten
Anlagen oder in zwei benachbarten Kammern einer Mehrkammeranlage
verwendet.
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Die 5 zeigt
eine Herstellungsstufe eines "unterstützenden" Prozesses, bei dem
zur Herstellung einer Schaltungsanordnung 100e in einer
Isolationsschicht 102e eine Aussparung für eine Leitbahn 106e erzeugt
wird. Nach dem Erzeugen der Aussparung wird ganzflächig eine
Barriereschicht 104e, z.B. aus Tantal, abgeschieden. Danach
wird Kupfer mit Hilfe eines Verfahrens abgeschieden, bei dem im
periodischen Wechsel Kupfer abgeschieden und dann rein elektrochemisch
oder mit mechanischer Unterstützung
partiell abgetragen wird. Beispielsweise bietet die Firma Nutool
ein solches Verfahren unter dem Namen "ECMD" an.
Die Anwendung eines solchen Verfahrens führt zu einer Planaren Kupferoberfläche mit
einer nur geringen durch CMP zu entfernenden Kupferschichtdicke
oberhalb der Öffnung
der Aussparung für
die Leitbahn 106e. Beispielsweise liegt die Schichtdicke
des Kupfers außerhalb
der Aussparung für
die Leitbahn 106e in einem Bereich von 30 nm bis 60 nm,
siehe Abstand A1. Nach dem Aufbringen des Kupfers wird eine dünne Barriereschicht 250,
z.B. aus Tantal, ganzflächig
aufgebracht, beispielsweise durch Sputtern. Die Dicke der Tantalschicht 250 liegt
beispielsweise im Bereich von 30 nm bis 50 nm.
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Anschließend wird
ein Eintreibschritt durchgeführt,
bei dem Material der Tantalschicht 250 entlang von Korngrenzen
bis in die Nähe
der Öffnung der
Aussparung entlang von Korngrenzen diffundiert. Gegebenenfalls wird
der Eintreibschritt so lange durchgeführt, bis eingetriebenes Barrierematerial mehr
als 10 Nanometer oder mehre als 20 Nanometer innerhalb der Aussparung
für die
Leitbahn 106e liegt.
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Nach
dem Vortemperschritt wird ein CMP-Verfahren durchgeführt, bei
dem Kupfer und Material der Tantalbarriere 104e außerhalb
der Aussparung entfernt werden. Anschließend wird eine dielelektrische
Barriereschicht, z.B. eine Siliziumnitridschicht, abgeschieden.
Im weiteren Verlauf der Herstellung der Schaltungsanordnung 100e wird
ein langer Haupttemperschritt mit Grenzflächendiffusion durchgeführt, bei
dem Barrierematerial 252 an Korngrenzen im Innern der Leitbahn 106e an
die Grenzfläche
Kupfer/Siliziumnitrid austritt und dort an der Grenzfläche diffundiert.
Außerdem
tritt Grenzflächendiffusion
von Barrierematerial auf, das aus der Tantalbarriere 104e stammt.
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Die 6 zeigt
eine weitere Variante für
einen "unterstützenden" Prozess bei der
Herstellung einer Schaltungsanordnung 100f, die eine Isolierlage 102f enthält. In der
Isolierlage 102f wird eine Aussparung für eine Leitbahn 106f mit
Hilfe eines fotolithografischen Verfahrens erzeugt. In der Aussparung wird
eine Barriereschicht 104f abgeschieden, z. B. eine Tantalschicht.
Danach wird Kupfer galvanisch abgeschieden und mit Hilfe eines CMP-Verfahrens bis
zur Barriereschicht 104f planarisiert. Beim Erreichen der
Barriereschicht 104f wird das CMP-Verfahren unterbrochen.
Das Erreichen der Barriereschicht 104f wird beispielsweise
durch eine Endpunkterfassung automatisch erfasst und lässt sich
auf einfache Art ermitteln. Anschließend wird eine dünne Tantalbarriere,
beispiels weise mit einer Schichtdicke kleiner als 20 Nanometer oder
kleiner als 5 Nanometer, aufgebracht. Geeignete Verfahren zum Aufbringen der
Barriereschicht 300 sind CVD, PVD, elektrolytische Abscheidungen
oder Implantationen.
-
Nach
dem Aufbringen der Barriereschicht 300 wird eine Vortemperung
durchgeführt,
bei der Material der Barriereschicht 300 entlang von Korngrenzen
in die Leitbahn 106f eindringt, insbesondere in Bereiche,
die mehr als 10 Nanometer oder mehr als 20 Nanometer von der Öffnung der
Aussparung für
die Leitbahn 106f entfernt sind. Danach wird Material der
Barriereschicht 106f außerhalb der Aussparung für die Leitbahn 106f mit
Hilfe eines CMP-Verfahrens entfernt. Nach dem Abschluss des CMP-Verfahrens
wird eine der Barriereschicht 108, entsprechende Barriereschicht,
z.B. aus Siliziumnitridschicht, abgeschieden. Im weiteren Verfahrensverlauf
wird eine längere
Temperung durchgeführt,
bei der Barrierematerial der Barriereschicht 300 aus den Korngrenzen
an die Grenzfläche
Kupfer/Siliziumnitrid ausgetrieben wird und entlang dieser Grenzfläche diffundiert.
Zusätzlich
tritt auch Grenzflächendiffusion von
Barrierematerial auf, das aus der Barriereschicht 104f stammt.
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Die 7 zeigt
einen "unterstützenden" Prozess, bei dem
bei der Herstellung einer Schaltungsanordnung 100g eine
Isolierschicht 102g aus Siliziumdioxid aufgebracht wird.
In der Isolierschicht 102g wird eine Aussparung für eine Leitbahn 106g erzeugt.
Nach dem Erzeugen der Aussparung wird eine elektrisch leitfähige Barriereschicht 104g ganzflächig abgeschieden,
beispielsweise eine Tantalschicht mit einer Schichtdicke im Bereich
von 10 bis 30 nm. Danach wird Kupfer abgeschieden und es wird planarisiert,
wobei Kupfer und Material der Barriere 104g außerhalb
der Aussparung für
die Leitbahn 106g entfernt werden. Nach dem Planarisieren
wird eine dünne
Tantalschicht 350 ganzflächig aufgebracht, beispielsweise
mit einer Schichtdicke kleiner als 10 nm oder sogar kleiner als
5 nm. Anschließend
wird die Tantalschicht 350 mit Hilfe eines fotolithografischen Verfahrens
strukturiert, wobei ein Resistbereich 352 verwendet wird,
der die Leitbahn 106g abdeckt. Nach dem Entfernen des Resists
wird eine dielektrische Barriereschicht, z. B. eine Siliziumnitridschicht,
abgeschieden. Nach dem Abscheiden der Siliziumnitridschicht wird
im weiteren Verfahrensverlauf eine Temperung durchgeführt, durch
die noch nicht bedeckte Bereiche der Deckfläche der Leitbahn 106g mit
Barrierematerial aufgrund von Grenzflächendiffusion bedeckt werden.
-
Die 8A und 8B zeigen
Herstellungsstufen bei der Herstellung einer integrierten Schaltungsanordnung 100h.
Nach der Herstellung einer Isolierlage 102h und einer darin
eingebetteten Vialeitstruktur 106h wird ganzflächig eine
Barriereschicht 400 abgeschieden, beispielsweise eine Tantalschicht
mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 nm bis 50 nm. Nach dem
Abscheiden der Barriereschicht 400 wird auf der Barriereschicht 400 eine Keimbildungsschicht
aus Kupfer abgeschieden. Danach wird eine Resistschicht aufgebracht
und strukturiert, wobei Resistbereiche 404 und 405 entstehen, zwischen
denen eine Aussparung für
eine Leitbahn 406 angeordnet ist, die anschließend mit
Hilfe eines galvanischen Verfahrens durch selektive (lokale) Abscheidung
in die Öffnung
erzeugt wird.
-
Die
Resistbereiche 404 und 405 werden nach dem Erzeugen
der Leitbahn 406 entfernt. Anschließend wird, wie in der 8B gezeigt,
eine dünne
Barriereschicht 450 abgeschieden, die die Deckfläche der
Leitbahn 406 und die Seitenflächen der Leitbahn 406 bedeckt.
Die Barriereschicht 450 besteht beispielsweise aus Tantal
und hat eine Schichtdicke von beispielsweise kleiner als 10 nm oder
kleiner als 5 nm. Die Barriereschicht 450 wird beispielsweise
mit einem CVD-Verfahren, mit einem PVD-Verfahren oder mit einem
außenstromlosen
galvanischen Verfahren abgeschieden. Nach dem Abscheiden der Barriereschicht 450 wird
eine dielektrische Barriereschicht 452 abgeschieden, z.
B. eine Siliziumnitridschicht, um an Bereichen der Leitbahn 406, die
nicht von der Barriereschicht 450 bedeckt sind, eine Grenzfläche zu bilden.
-
Nach
dem Abscheiden der Siliziumnitridschicht 452 wird eine
längere
Temperung durchgeführt,
um auch die noch nicht von Tantal bedeckten Bereiche auf der Deckfläche der
Leitbahn 406 oder an den Seitenflächen der Leitbahn 406 durch
Grenzflächendiffusion
von Tantal mit Tantal zu bedecken.
-
Danach
wird mit Hilfe eines fotolithografischen Verfahrens oder mit Hilfe
eines anisotropen Ätzverfahrens
der auf der Isolierlage 102h angeordnete Schichtstapel
aus der Siliziumnitridschicht 452, der Barriereschicht 450,
der Keimbildungsschicht 402 und der Barriereschicht 400 entfernt.
Die Leitbahn 406 bleibt also von einer Tantalschicht umgeben.
Durch das lange Tempern wird die Barriereschicht 400 jedoch
auch an der Grenze zwischen der Leitbahn 104h und der Leitbahn 406 gedünnt bzw. entfernt.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen
wird die Leitbahn 406 mit Hilfe eines Kupfer-RIE-Verfahrens (Reactive
Ion Etching), mit Hilfe eines sogenannten Lift-Off-Verfahrens oder
mit Hilfe eines anderen "subtraktiven" Verfahrens erzeugt.
-
Bei
allen an Hand der 1 bis 8B erläuterten
Varianten wird zusätzliches
Tantal direkt an die oder nahe an die horizontale bzw. vertikale (8B)
Kupfer/Dielektrikums-Grenzfläche gebracht.
Durch eine nachfolgende kurze Aktivierung kann nahe an der Grenzfläche angeordnetes
Material an die spätere
Kupferschicht der Siliziumnitrid-Grenzfläche getrieben werden. In anderen
Fällen wird
erst die Siliziumnitrid-Deckschicht aufgebracht und das Barrierenmetall
wird dann durch Diffusion längs
der Kupfer/Dielektrikums-Grenzfläche verteilt. In
allen Fällen,
in denen ein "unterstützender" Prozess eingesetzt
wird, kann das "unterstützend" eingebrachte Material
auch von jenen in der verwendeten metallischen Diffusionsbarriere 104 verschieden sein.
-
Wird
der "unterstützende" Prozessschritt geeignet
gewählt,
so liegt das zusätzlich
aufgebrachte Tantal bereits gleich ver teilt an der gewünschten
Stelle, nämlich
unmittelbar an der Kupfer/Siliziumnitrid-Grenzfläche vor und der zusätzlich benötigte Aktivierungsschritt
kann bei einem Final-Temperschritt bei
z.B. 430°C
für 30
Minuten durchgeführt
werden. In bestimmten Fällen
ist dadurch für
den langen Temperaturschritt keine zusätzliche Temperzeit erforderlich.
-
Die 9 bis 11 betreffen
Ausführungsbeispiele,
bei denen primär
Barrierematerial vom Boden einer Vialeitstruktur bzw. zwischen zwei Leitstrukturen
entfernt werden soll. Eine Kombination mit Verfahren, bei denen
Tantal durch Grenzflächendiffusion
aufgebracht wird, ist möglich
und wird auch im Folgenden wiederholt angesprochen. Durch die an
Hand der 9 bis 11 erläuterten
Ausführungsbeispiele
verringert sich der ohmsche Viawiderstand erheblich und die Stromtragfähigkeit
des Vias steigt. In allen drei Ausführungsbeispielen wird zunächst eine
ganzflächige
Abscheidung einer elektrisch leitfähigen Diffusions-Barriereschicht
durchgeführt.
Zur Entfernung der Barriereschicht im Bereich des Via-/Bahn-Übergangs wird ein überraschend
milder Temperprozess genutzt, bei dem das Barrierematerial in Kupfer
oder längs
von Grenzflächen,
z.B. Kupfer/Tantal oder Kupfer/Siliziumnitrid, diffundiert.
-
Bei
den Ausführungsbeispielen,
bei denen Tempertemperaturen zwischen 400 und 500°C benutzt
worden sind, wurden folgende Bedingungen eingehalten:
- – Die
Barriere bestand aus einer Doppelschicht Tantalnitrid/Tantal,
- – die
TaNX-Komponente war unterstöchiometrisch,
d.h. X < 1 bzw.
X < 0,75,
- – das
Tantalmetall der Barriere lag zumindest teilweise als α-Tantal vor,
d.h. als kubisch raumzentriertes Gitter,
- – an
der Kupfer/Tantal-Grenzfläche,
d.h. an der Seitenwand und am Boden der Leitstrukturen, bildet sich
eine amorphe, stark tantalreiche Zone, in der und aus der Tantal bei überraschend
milden thermischen Aktivierungen diffundiert, und
- – keine
Einschränkungen
gibt es hier bei der Auswahl des Barrierematerials. Es kann, muss
aber nicht, im in Frage kommenden Temperaturbereich beim Tempern
Kupferlegierungen bilden oder kann eine endliche Löslichkeit
in Kupfer aufweisen. Somit sind die Verfahren nicht nur auf Tantalbarrieren
beschränkt.
-
Die
Ausführungsbeispiele
der 9 und 10 betreffen Dual-Damascene-Architekturen. Die
angesprochenen Verfahren sind aber auch bei Einfach-Damascene-Architekturen
oder wie in 11 dargestellt, auch bei Leitbahnen
nutzbar, die durch subtraktive Verfahren erzeugt worden sind, d.h.
durch Lift-Off-Verfahren,
durch Pattern-Plating oder durch Kupfer-RIE. Der Temperschritt zum
Entfernen des Barrierematerials lässt sich in oder nach unterschiedlichen
Prozessstadien durchführen,
siehe die oben für
die 1 bis 8B erläuterten Möglichkeiten.
-
Es
ergeben sich folgende Vorteile:
- – Sichere,
reproduzierbare und risikoarme Verfahrensweise, wobei der Viawiderstand
verringert wird und sich die Elektromigrationsfestigkeit erhöht,
- – es
werden kostengünstige
thermische Prozesse genutzt, die in der Regel ohne Investitionsbedarf bzw.
ohne hohen Investitionsbedarf durchführbar sind,
- – es
werden kostengünstige
Batchprozesse genutzt, und
- – zusätzliche
positive Auswirkungen treten an allen Schichten und Grenzflächen durch
die lange Temperung auf.
-
Die
thermische Aktivierung wird bei Temperaturen ≥ 350° bis 550°C für unterschiedlich lange Zeiten
durchgeführt,
die im Wesentlichen von der Dicke der Barriereschicht abhängen. Die
oben genannten Verfahren zum selektiven Erhitzen der metallischen
Strukturen werden auch bei den Temperverfahren zum Entfernen von
Barrierematerial angewendet.
-
9 zeigt
eine Schaltungsanordnung 500 mit einem Substrat 501.
Nach der Herstellung von integrierten Halbleiterbauelementen in
dem Substrat 501 wurde eine Isolierlage 502 erzeugt,
die Isoliermaterial 504 enthält, beispielsweise Siliziumdioxid.
In der Isolierlage 502 wurde mit Hilfe eines Dual-Damascene-Verfahrens
eine Leitbahn 506 aus Kupfer erzeugt. Anschließend wurde
eine dielektrische Barriereschicht 508 abgeschieden, beispielsweise
eine Siliziumnitridschicht in einer Schichtdicke von 50 nm. Anschließend werden
eine Vialage 510 und eine Leitbahnlage 520 mit
Hilfe eines Dual-Damascene-Verfahrens
hergestellt. In einem Isoliermaterial 512 der Vialage 510 wird
eine Aussparung 514 eingebracht. In ein Isoliermaterial 516 der
Leitbahnlage 520 wird eine Aussparung 522 für eine Leitbahn 560 eingebracht.
Zwischen der Vialage 510 und der Leitbahnlage 520 wird
gegebenenfalls eine Ätzstoppschicht 518 angeordnet,
z.B. eine Siliziumnitridschicht.
-
9 zeigt
eine Herstellungsstufe, bei der die Aussparungen 514 und 522 noch
nicht mit Kupfer gefüllt
sind. Jedoch wurde schon ganzflächig
eine Barriereschicht 530 abgeschieden, beispielsweise eine
Tantalschicht mit einer Schichtdicke von 20 nm. Am Boden der Aussparung 514 hat
sich dabei eine Barrierematerialschicht mit einer Schichtdicke von
10 nm abgelagert.
-
Nach
dem Ablagern der Barriereschicht 530 und vor dem Auffüllen der
Aussparung 514 und 522 mit Kupfer wird ein langer
Temperschritt durchgeführt,
bei dem das Barrierematerial am Boden der Aussparung 514 in
die Kupferleitbahn 506 entlang von Korngrenzen diffundiert.
Außerdem
tritt eine Grenzflächendiffusion
des am Boden der Aussparung 514 angeordneten Barrierematerials
entlang der Grenzfläche
der Leitbahn 506 zu der dielektrischen Barriereschicht 508 auf.
Im Ausführungsbeispiel
wird die thermische Aktivierung in einem Ofen durchgeführt. Deshalb
wird in einer Wasserstoffatmosphäre getem pert,
wobei Stickstoff zugesetzt wird. Der Wasserstoffanteil hat eine
reduzierende Wirkung und verhindert eine Oxidation des freigelegten
Kupfers der Leitbahn 506. Der Stickstoffanteil dient einer
Verdichtung der nicht beim Tempern entfernten Barriereschichten.
Beispielsweise werden Formiergasgemische beim Tempern verwendet.
Die Abkühlung
wurde rasch durchgeführt,
d.h. mit einer Abkühlungsrate größer als
50 Kelvin/Minute, um in Kupferkorngrenzen der Leitbahn 506 sitzendes
Tantal dort "einzufrieren". Am Boden der Aussparung 514 war
die Tantalbarriere typischerweise kleiner als 15 nm. Deswegen erfolgt
die Auflösung
der Tantalbarriere am Boden der Aussparung 514 vergleichsweise
schnell. Die Tantal/Siliziumdioxidgrenzfläche ist bis zu 600°C stabil.
Somit erfolgt an der Tantal/Siliziumdioxidgrenzfläche keinerlei
Reaktion oder Diffusion. Es resultiert ein barrierefreier Via/Leitbahn-Übergang.
-
Außerdem gelten
für das
Ausführungsbeispiel
der 9 folgende weiteren positiven Aspekte:
- – Durch
die Verwendung von Stickstoff im Tempergas wird die Tantalbarriere
bzw. die Tantalnitridbarriere an den Tantal/Siliziumdioxidgrenzflächen, insbesondere
an den oberen Tantal/Siliziumdioxidgrenzflächen verdichtet. Dies ist besonders
wichtig an Siliziumnitrid-Hinterschneidungskanten, die typischerweise
Schwachstellen im Via oder am Boden der Leitbahn darstellen.
- – Der
Barriereabscheideprozess kann bewusst nicht konform eingestellt
werden, z.B. mit bewusst geringer Tantal-Bedeckung am Viaboden, wodurch vergleichsweise
kurze Temperzeiten erforderlich sind, und
- – es
sind kostengünstige
Batch-Prozesse möglich,
bei denen mehrere Wafer, beispielsweise mehr als 80 Wafer gleichzeitig
getempert werden, so dass auch bei Temperzeiten von einer Stunde oder
mehr ein hoher Durchsatz möglich
ist.
-
Die 10 zeigt
eine Schaltungsanordnung 500b, die wie die Schaltungsanordnung 500 aufgebaut
ist, so dass gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen, jedoch
mit dem nachgestellten Kleinbuchstaben b gekennzeichnet sind. Bei
der Herstellung der Schaltungsanordnung 500b wird im Unterschied
zur Herstellung der Schaltungsanordnung 500 jedoch erst
dann der längere
Tempervorgang zum Entfernen des Barrierematerials 530b am
Boden der Aussparung 514b bzw. der Vialeitstruktur 550b durchgeführt, wenn
das Kupfermaterial für
die Vialeitstruktur 550b und für die Leitbahn 560b abgeschieden
ist. Außerdem
wurde im Ausführungsbeispiel
das Kupfermaterial bereits planarisiert und es wurde eine dielektrische
Barriereschicht 750, z.B. eine Siliziumnitridschicht, abgeschieden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 10 diffundiert
Barrierematerial zwischen der Vialeitstruktur 550b und
der Leitbahn 506b während
des langen Temperns sowohl entlang von Korngrenzen in die Leitbahn 506b als
auch in die Vialeitstruktur 550b. Außerdem tritt wieder eine Grenzflächendiffusion entlang
der Grenzfläche
Kupfer/Siliziumnitridschicht 508b auf.
-
Optional
wird die Barriereschicht 530b nicht konform und dicker
als benötigt
abgeschieden. Ebenfalls optional ist ein partieller Re-Sputter-Schritt,
der die Barriere auf den horizontalen Dielektrikumsflächen und
am Viaboden dünnt
und sie gleichzeitig an der unteren Viaseitenwand verdickt.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 10 ergeben
sich die folgenden technischen Wirkungen:
- – Verwendung
von Stickstoff im Tempergas bewirkt eine Verdichtung der Siliziumnitrid-Cap-Schicht 570 an
den Kupfer/Siliziumnitrid-Grenzflächen und damit eine Stabilisierung und
Qualitätsverbesserung
dieser Grenzfläche,
- – die
Tantal/Siliziumdioxid-Grenzfläche
ist bis 600°C
stabil, hier erfolgt keinerlei Reaktion oder Diffusion,
- – diese
Vorgehensweise bewirkt gleichzeitig eine Verbesserung des Kupfer/Siliziumnitrid-Interfaces durch
Tantal-Grenzflächendiffusion
in den verschiedenen Ebenen, wie oben an Hand der 1 bis 8B erläutert,
- – diese
Variante wird besonders nach kompletter Herstellung aller Leitbahnebenen
benutzt und muss dann nur einmal ausgeführt werden, und
- – wird
die Metallisierung nicht in Dual-Damascene-Technik, sondern in Einfach-Damascene-Technik
hergestellt, lässt
sich das Verfahren gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
ebenfalls einsetzen. Die Barriere baut sich dann an den Übergängen Via(n)/Leitbahn(n)
bzw. Via(n)/Leitbahn(n+1) besonders schnell ab, weil die Korngrenzendiffusion
dort in mehreren Richtungen möglich
ist. Somit werden beide Grenzflächen,
die die Einfach-Damascene-Technik bietet, abgebaut. Es resultieren
barrierefreie Via/Bahn-Übergänge.
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11 zeigt
eine Schaltungsanordnung 600, die ein Substrat 601 mit
einer Vielzahl von Halbleiterbauelementen enthält. Die Schaltungsanordnung 600 enthält außerdem eine
Isolierlage 602, die ein dielektrisches Material 604 erzeugt,
in dem eine Kupferleitbahn 606 angeordnet ist. Nach dem
Herstellen der Kupferleitbahn 606 mit einem Einfach-Damascene-
oder mit Hilfe eines Dual-Damascene-Verfahrens wurde eine dielektrische
Barriereschicht 608 abgeschieden, beispielsweise eine Siliziumnitridschicht.
Anschließend
wurde für
eine Vialage 610 Isoliermaterial 612 abgeschieden.
Mit Hilfe eines Einfach-Damascene-Verfahrens wurde eine Vialeitstruktur 650 erzeugt,
die an den Seitenwänden
und am Boden an eine Barriereschicht 630 grenzt, beispielsweise
an eine Tantalbarriereschicht mit einer Schichtdicke von 20 nm im
oberen Bereich der Vialeitstruktur 650. Nach einem CMP-Schritt
wurde eine dielektrische Barriere 670 abgeschieden, beispielsweise
eine Siliziumnitridschicht mit einer Schichtdicke von 50 nm. Danach
wurde eine Barriereschicht 680 abgeschieden, beispielsweise
eine Tantal-Barriereschicht mit einer Schichtdicke von 20 nm. Mit
Hilfe eines "subtraktiven" Verfahrens wurde
anschließend
eine Leitbahn 690 erzeugt und mit einer Siliziumnitridschicht 700 an
ihrer Deckfläche
und an ihren Seitenflächen
bedeckt. Optional ist zwischen der Siliziumnitridschicht 700 und
der Leitbahn 690 eine Barriereschicht aus Tantal angeordnet,
siehe die Erläuterungen
zu den 8A und 8B.
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Nach
dem Erzeugen der Leitbahn 690 wird ein langer Temperschritt
durchgeführt,
bei dem das Barrierematerial 630 zwischen der Vialeitstruktur 650 und
der Leitbahn 606 entfernt wird. Außerdem wird bei diesem langen
Temperschritt Material der Barriereschicht 680 zwischen
der Vialeitstruktur 650 und der Leitbahn 690 entfernt.
Der Großteil
des Barrierematerials diffundiert entlang von Korngrenzen der Leitbahn 606,
der Vialeitstruktur 650 bzw. der Leitbahn 690.
Jedoch werden insbesondere Randbereiche des zu entfernenden Barrierematerials
auch durch Grenzflächendiffusion
entlang der Kupfer/Siliziumnitrid-Grenzfläche der Leitbahn 606 bzw.
der Barriereschicht/Siliziumnitrid-Grenzfläche der Barriereschicht 680 transportiert.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 11 ergeben
sich die gleichen Vorteile, die oben an Hand der 9 und 10 erläutert worden
sind. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird die diffusionsbedingte Entfernung des Barrierematerials von Tantal/Kupfer-Kontaktflächen mit
den an Hand der 1 bis 8B erläuterten
diffusionsbedingten Verbesserungen der Kupfer/Siliziumnitrid-Grenzfläche kombiniert.
Dadurch lassen sich die erforderlichen thermischen Aktivierungsschritte
mit vertretbarem Temperaturbudget auch für empfindliche BEOL-Prozesse (Back End
Of Line) durchführen.
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Um
die beschriebenen positiven Effekte zu erreichen, ist es nicht zwingend
erforderlich, die Barriere am Viaboden bzw. an der Viadeckfläche vollständig zu
entfernen. Es genügt
bereits eine partielle Entfernung, z.B. lokale Aufrisse, wenn dadurch
ein partieller direkter Kupfer/Kupfer-Kontakt erreicht wird und
dann bei Einsetzen der Elektromigration ein weitgehend unbehinderter
Kupfer-Materialfluss erfolgen kann. Das benötigte thermische Budget zur
weitestgehenden Entfernung der Barriere am Viaboden bzw. an der
Viadeckfläche
wird durch die Schichtdicke der Barriere an diesen Orten gesteuert.
Eine Kombination der erläuterten
Verfahren mit Re-Sputter-Schritten wird
bei weiteren Ausführungsbeispielen
durchgeführt.
Durch das Re-Sputtern muss jedoch die Barriere am Viaboden nicht
komplett entfernt, sondern nur gedünnt werden. Damit verbleibt
die Barriereschicht auch an anderen horizontalen Stellen, z.B. am
Boden einer Leitbahn. Durch das Re-Sputtern wird das am Viaboden abgetragene
Material im unteren Bereich der Viaseitenwände deponiert, so dass dort
die Schichtdicke erhöht
wird. Dadurch wird verhindert, dass sich im unteren Bereich der
Viaseitenwände
die Barriere "auflöst" und hier ihre erforderliche Schutzwirkung
verliert oder dass sie an anderen horizontalen Stellen (z.B. Boden
der Leitbahn) durch einen zu langen Resputter-Schritt entfernt wird.
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Es
wurde eine REM-Aufnahme einer Cu-MLM (Mehrlagenmetallisierung) nach
einer Temperung bei 450°C
für zehn
Stunden untersucht. Bei einem Viadurchmesser am Viaboden von 500
nm war nach dieser Temperzeit eine zuvor vorhandene Barriere nicht
mehr zu erkennen.
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Dem
Entfernen von Barrierematerial und der Beschichtung mit Barrierematerial
durch langes Tempern sind in den Ausführungsbeispielen u.a. gemeinsam:
- – anfängliches
Amorphisieren der zunächst
kristallinen Ursprungs-Barriere,
- – und
vor allen Dingen die Selbstjustierung der Verfahren, die keine Lithografieverfahren
benötigt und
prozesstechnisch sehr sicher ist.
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Die
Dicke der amorphen Zone ist insbesondere kleiner als 10 Nanometer.
Außerdem
besteht die amorphe Zone zu mindestens 80 Atomprozent aus Barrierematerial.
Die amorphe Zone ist bspw. zwischen einer kristallinen Barriere
und der kristallinen Cu-Leitstruktur
angeordnet. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wurde die amorphe
Barriere abgeschieden.
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Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel
werden für
das diffundierte Barrierenmaterial, insbesondere für das grenzflächendiffundierte
Barrierematerial, auch elektrisch nicht leitfähige, d.h. dielektrische Barrieren,
verwendet, z.B. Ta2O5,
Al2O3, HfO2 oder einer siliziumhaltigen Verbindung.
Temperzeiten für Grenzflächendiffusionsvorgänge werden
nach der folgenden Formel berechnet:
t(min) = 1(min)2/D
t(min) = minimale Temperzeit, D
= Do·exp(Ea/kT); 1(min)
= ½ minimale
Bahnbreite für
Grenzflächendiffusion,
und den abgeschätzten
Konstanten: D=6·10^–17·cm^2/s;
Ea = 1,68 eV für
Grenzflächen-Diffusion.
-
Die
gleiche Formel lässt
sich auch für
die Berechung der Temperzeit für
das Entfernen von Barrierematerial nutzen, wobei Ea = 1,82 eV für Korngrenzendiffusion
ist und die Temperzeit auch von der Anzahl der an die zu entfernende
Barriere angrenzenden Korngrenzen abhängig ist.
-
- 100
bis 100h
- Integrierte
Schaltungsanordnung
- 102
bis 102h
- Isolierlage
- 104
bis 104h
- Barriereschicht
- 106
bis 106h
- Vialeitstruktur
- 108
- Dielektrische
Barriereschicht
- 110
- Grenzflächendiffusion
- 112
- Korngrenzendiffusion
- 200
- Hilfsschicht
- 204
- Öffnung
- A1
- Abstand
- 250
- Tantalschicht
- 252
- Barrierematerial
- 300
- Barriereschicht
- 350
- Barriereschicht
- 352
- Resistbereich
- 400
- Barriereschicht
- 402
- Keimbildungsschicht
- 404,
405
- Resistbereich
- 450
- Barriereschicht
- 452
- Dielektrische
Barriereschicht
- 500,
500b
- Schaltungsanordnung
- 501,
501b
- Substrat
- 502,
502b
- Metallisierungslage
- 504,
504b
- Dielektrikum
- 506,
506b
- Leitbahn
- 508,
508b
- Dielektrische
Barriereschicht
- 510,
510b
- Vialage
- 512,
512b
- Dielektrikum
- 514,
514b
- Aussparung
- 516,
516b
- Dielektrikum
- 518,
518b
- Dielektrische
Barriereschicht
- 520,
520b
- Leitbahnlage
- 522,
522b
- Aussparung
- 530,
530b
- Barriereschicht
- 550,
550b
- Vialeitstruktur
- 560,
560b
- Leitbahnleitstruktur
- 570
- Dielektrische
Barriereschicht
- 600
- Schaltungsanordnung
- 601
- Substrat
- 602
- Leitbahnlage
- 604
- Dielektrikum
- 606
- Leitbahn
- 608
- Dielektrische
Barriereschicht
- 610
- Vialage
- 612
- Dielektrikum
- 630
- Barriereschicht
- 650
- Vialeitstruktur
- 670
- Dielektrische
Barriereschicht
- 680
- Barriereschicht
- 690
- Leitbahn
- 700
- Dielektrische
Barriereschicht