DE102005004365A1 - Conducting structure manufacturing method for integrated circuit arrangement, involves superimposing nucleation layer at base surface or cover surface before or after creation of through-hole, and depositing structure material in hole - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft unter anderem ein Verfahren zum Herstellen von Leitstrukturen mit großem Aspektverhältnis in einer integrierten Schaltungsanordnung. Dabei bezeichnet das Aspektverhältnis das Verhältnis zwischen vertikaler Höhe und kleinster lateraler Abmessung der Leitstruktur.The The invention relates, inter alia, to a method for the production of Lead structures with high aspect ratio in an integrated circuit arrangement. The aspect ratio denotes the ratio between vertical height and smallest lateral dimension of the lead structure.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein einfaches Verfahren zum Herstellen von Leitstrukturen in einer integrierten Schaltungsanordnung anzugeben, das es insbesondere erlaubt, Leitstrukturen mit sehr kleinen lateralen Abmessungen und mit einem kleinen elektrischen Widerstand herzustellen. Außerdem soll eine integrierte Schaltungsanordnung angegeben werden.It object of the invention is a simple method for manufacturing of lead structures in an integrated circuit, which allows, in particular, lead structures with very small lateral Dimensions and with a small electrical resistance. Furthermore an integrated circuit arrangement should be specified.
Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensschritten gelöst, wobei ohne Beschränkung durch die Reihenfolge der Auflistung die folgenden Verfahrensschritt ausgeführt werden:
- – Erzeugen eines Durchgangslochs, durch eine integrierte Schaltungsanordnung hindurch, wobei das Durchgangsloch von einer Deckfläche der Schaltungsanordnung zu einer Bodenfläche der Schaltungsanordnung reicht,
- – vor oder nach dem Erzeugen des Durchgangslochs Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Keimbildungsschicht an der Bodenfläche oder an der Deckfläche,
- – galvanische Abscheidung eines elektrisch leitfähigen Materials in dem Durchgangsloch beginnend an der Keimbildungsschicht,
- Producing a through-hole, through an integrated circuit arrangement, wherein the through-hole extends from a top surface of the circuit arrangement to a bottom surface of the circuit arrangement,
- Before or after the production of the through-hole, application of an electrically conductive nucleation layer to the bottom surface or to the top surface,
- Galvanic deposition of an electrically conductive material in the through hole starting at the nucleation layer,
Zwar könnte das Durchgangsloch auch mit einem anderen Verfahren gefüllt werden, bspw. mit einem CVD-Verfahren, jedoch sind diese Verfahren bei Durchgangslöchern mit Durchmessern bzw. einer minimalen Abmessung kleiner als 10 Mikrometer nur bedingt einsetzbar, bspw. weil Hohlräume in dem Durchgangsloch entstehen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dagegen sogar bei minimalen Abmessungen kleiner als 2 Mikrometer oder sogar kleiner 1 Mikrometer und bei den genannten Aspektverhältnissen noch problemlos einsetzbar. Das Abscheide- bzw. Füllverfahren mit den angegebenen technischen Wirkungen ist aber auch bei minimalen lateralen Abmessungen, z.B. Lochdurchmessern, im Bereich von 1 Mikrometer bis 100 Nanometer und/oder im Bereich von 100 Nanometern bis 10 Nanometern und grundsätzlich auch im Bereich von 10 Nanometern bis 2 Nanometern oder kleiner einsetzbar. Als Bezugsebene für die Angabe der Abmessungen dient bspw. eine Ebene, die genau in der Mitte des Substrats angeordnet ist, welches die fertige Schaltungsanordnung trägt.Though could the through-hole can also be filled with another method, For example, with a CVD method, but these methods are at through holes with Diameters or a minimum dimension smaller than 10 microns only conditionally applicable, for example because cavities arise in the through hole. The inventive method on the other hand is smaller than 2 microns even with minimum dimensions or even less than 1 micrometer and at said aspect ratios still easy to use. The deposition or filling process with the specified technical effects but is also at minimal lateral dimensions, e.g. Hole diameters, in the range of 1 micron up to 100 nanometers and / or in the range of 100 nanometers to 10 Nanometers and basically also in the range of 10 nanometers to 2 nanometers or smaller used. As a reference plane for the indication of the dimensions serves, for example, a plane which is exactly in the center of the substrate is arranged, which is the finished circuit arrangement wearing.
Eine ausreichend hohe Stromtragfähigkeit für die Ströme in integrierten Schaltungen ist auch bei solchen minimalen Abmessungen gegeben. Die Stromtragfähigkeit wird durch die hohe Leitfähigkeit auf Grund des kolumnaren Kornwachstums weiter erhöht. Umgekehrt verringern sich die durch den ohmschen Widerstand der Durchgangslochfüllungen hervorgerufenen Verluste. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren anderen Verfahren dann besonders Überlegen, wenn die minimalen Abmessungen der Durchgangslöcher besonders klein sind.A sufficiently high current carrying capacity for the currents in integrated Circuits are given even with such minimal dimensions. The current carrying capacity is due to the high conductivity Reason of columnar grain growth further increased. Conversely, they decrease the caused by the ohmic resistance of the Durchgangslochfüllungen Losses. Thus, the method of the invention is different then especially thinking, when the minimum dimensions of the through holes are particularly small.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei kleinen minimalen Abmessungen bzw. Breiten der Leitstruktur, insbesondere bei Abmessungen kleiner zwei Mikrometer oder kleiner als ein Mikrometer oder kleiner als 500 Nanometer, die Geometrie die Kupfer-Mikrostruktur und damit vor allem die mittlere Korngröße sowohl in Leitbahnen als auch in Vias bestimmt. Die mit den Strukturbreiten kleiner werdenden Kupferkörner würden zu einer stärkeren Ausprägung des sogenannten elektrischen Nebeneffekts bzw. "size effects" führen, der den Anstieg des spezifischen Widerstands von metallischen Verbindungen mit kleiner werdenden Strukturgrößen beschreibt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren kommt es dagegen zu einem gezielten Wachstum von unten nach oben, insbesondere ausschließlich in dieser Richtung. Es entsteht eine kolumnare bzw. säulenartige Kornstruktur, bei der die Körner in vertikaler Richtung aber auch in der lateralen Richtung mit der größeren lateralen Abmessung bzw. der Längsrichtung, die z.B. größer als 3 Mikrometer ist, erheblich größer sind als bei einem auch seitlichen Wachstum der Körner. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich die Körner bei einem kolumnaren Wachstum gegenseitig weniger behindern als bei einem auch seitlichen Wachstum. Mit den größeren Körnern entstehen insgesamt weniger Korngrenzen in der Leitstruktur, so dass auch die Elektronenstreuung an Korngrenzen, die zu einer Erhöhung des Widerstands führen würde, verringert wird.The Invention goes from consideration that at small minimum dimensions or widths of the lead structure, especially with dimensions less than two micrometers or smaller as a micrometer or less than 500 nanometers, the geometry the copper microstructure and thus especially the mean grain size both determined in interconnects as well as in vias. The with the structure widths decreasing copper grains would to a stronger one shaping lead to the so-called electrical side effect or "size effects", the increase in the resistivity of metallic compounds with describes smaller structure sizes. At the inventive method on the other hand it comes to a targeted growth from the bottom up, especially exclusively in this direction. The result is a columnar or columnar grain structure, at the grains in the vertical direction but also in the lateral direction with the larger lateral Dimension or the longitudinal direction, the e.g. greater than 3 microns is significantly larger as with a lateral growth of the grains. This is due to the fact that the grains hamper each other less in a columnar growth with a lateral growth as well. The larger grains produce less overall Grain boundaries in the conducting structure, so that the electron scattering at grain boundaries leading to an increase lead the resistance would, is reduced.
Durch die vorliegende Erfindung werden elektrisch leitfähige und insbesondere metallische Leitstrukturen bzw. Verbindungen durch gezieltes Wachstum von unten nach oben an vordefinierten Stellen in einem Substrat hergestellt. Ein seitliches Wachstum wird dabei vermieden. Bei der Erfindung ist die Oberfläche der Keimbildungsschicht nur teilweise – nämlich nur an den Stellen, an denen die Abscheidung stattfinden soll – offengelegt. Für die elektrochemische Abscheidung wird eine durchgehende Elektrode genutzt. Die Elektrode wird nach dem Galvanisieren wieder in Bereichen entfernt, die nicht von den Leitstrukturen bedeckt sind. In diesen Bereichen ist die Elektrode also eine Opferelektrode. Durch das Beseitigen der zwischen den Leitstrukturen angeordneten Bereiche der Opferelektrode werden elektrische Kurzschlüsse zwischen den Leitstrukturen vermieden. Es ergeben sich die folgenden technischen Wirkungen:
- – Vias werden von unten her und nicht von den Seiten her aufgefüllt, d.h. sogenannte Bottom-up-Füllung, wodurch neue Anwendungen, z.B. in der Nanoelektronik, erschlossen werden, von denen eine Anwendung weiter unten noch näher erläutert wird,
- – die Keimbildungsschicht lässt sich planar abscheiden, so dass eine Prozessvereinfachung im Vergleich zu konventionellen Verfahren entsteht, bei denen eine Keimbildungsschicht in Vias und Gräben mit kleinen lateralen Abmessungen abgeschieden werden müssen. Beispielsweise liegen die kleinsten lateralen Abmessungen im Bereich kleiner als 200 Nanometer oder kleiner als 100 Nanometer. Die Keimbildungsschicht braucht aufgrund des erforderlichen Stromtransports auch eine bestimmte Mindestschichtdicke, die beispielsweise mehrere Nanometer beträgt, beispielsweise mehr als 5 nm.
- – Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich größere Kupferkörner durch kolumnares Wachstum erzeugen, was zu einer Verringerung des Widerstands führt, der durch Streuung an Korngrenzen hervorgerufen wird. Dieser Effekt nimmt mit steigendem Aspektverhältnis bzw. mit kleiner werdenden minimalen lateralen Abmessungen zu.
- – Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens sind kein "seed repair" bzw. keine ALD-Abscheidung erforderlich,
- – das optimale Wachstum nur von unten im Vergleich zu einem Wachstum auch von der Seite wird beim Elektroplatieren ohne den Zusatz von Additiven im elektrochemischen Bad erreicht, so dass das Galvanisieren stabiler und kostengünstiger durchgeführt werden kann,
- – aufgrund des gerichteten Wachstums lassen sich auch Aussparungen mit einem hohen Aspektverhältnis fehlerfrei füllen.
- - Vias are filled from below and not from the sides, ie so-called bottom-up filling, whereby new applications, for example in nanoelectronics, are developed, an application of which will be explained in more detail below,
- The nucleation layer can be planarly deposited, resulting in process simplification compared to conventional methods in which a nucleation layer must be deposited in vias and trenches with small lateral dimensions. For example, the smallest lateral dimensions are in the range less than 200 nanometers or less than 100 nanometers. Due to the required current transport, the nucleation layer also needs a certain minimum layer thickness, which is, for example, several nanometers, for example more than 5 nm.
- By using the method according to the invention, larger copper grains can be produced by columnar growth, which leads to a reduction of the resistance, which is caused by scattering at grain boundaries. This effect increases with increasing aspect ratio or with decreasing minimum lateral dimensions.
- By using the method according to the invention, no "seed repair" or no ALD deposition is required,
- The optimum growth only from below compared to a growth also from the side is achieved in electroplating without the addition of additives in the electrochemical bath, so that plating can be carried out in a more stable and cost-effective manner,
- - Due to the directed growth and recesses can be filled with a high aspect ratio error-free.
Bei einer Weiterbildung ist die kleinste laterale Abmessung des Durchgangslochs kleiner als 10 Mikrometer oder kleiner als 2 Mikrometer oder kleiner als 500 nm ist. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren für Durchgangslöcher mit minimalen Abmessungen im Bereich von 20 Mikrometern bis 100 Nanometern oder von 10 Mikrometern bis 500 Nanometern geeignet. Die Durchgangslöcher haben bspw. einen runden, quadratischen, rechteckförmigen oder ovalen Querschnitt in einer Ebene, die quer zur Längsachse des Durchgangsloches liegt. Die Länge des Durchgangsloches ist bspw. für alle angegebenen lateralen Abmessungen größer als 50 Mikrometer, größer als 100 Mikrometer bzw. bspw. bei ungedünnten Halbleitersubstraten größer als 500 Mikrometer.at a development is the smallest lateral dimension of the through hole less than 10 microns or less than 2 microns or less than 500 nm is. In particular, the inventive method for through holes with minimum dimensions in the range of 20 microns to 100 nanometers or from 10 microns to 500 nanometers. The through holes have, for example. a round, square, rectangular or oval cross-section in a plane that is transverse to the longitudinal axis the through hole is located. The length of the through hole is for example for all specified lateral dimensions greater than 50 microns, greater than 100 micrometers or, for example, in the case of unthinned semiconductor substrates greater than 500 microns.
Bei einer nächsten Weiterbildung besteht die Leitstruktur aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit weniger als 40 Atomprozent Zusätzen oder mit weniger als 5 Atomprozent Zusätzen. Kupfer ist wegen seiner großen elektrischen Leitfähigkeit besonders zur dreidimensionalen Verdrahtung geeignet. Aber auch andere Materialien werden eingesetzt.at one next Continuing the lead structure consists of copper or a copper alloy less than 40 atomic percent additives or with less than 5 atomic percent additives. Copper is because of it huge electrical conductivity especially suitable for three-dimensional wiring. But also other materials are used.
Bei einer Weiterbildung wird das erfindungsgemäße Verfahren mehrmals separat für eine erste Schaltungsanordnung und separat für eine zweite Schaltungsanordnung durchgeführt. Die erste Schaltungsanordnung befindet sich auf einem ersten Substrat, das jedoch nicht die zweite Schaltungsanordnung trägt. Umgekehrt befindet sich die zweite Schaltungsanordnung auf einem zweiten Substrat, das jedoch nicht die erste Schaltungsanordnung trägt. Beide Substrate sind insbesondere zunächst nicht miteinander mechanisch verbunden. Schaltungsanordnungen durchgeführt. Die Schaltungsanordnungen werden erst nach der Durchführung der Verfahren miteinander mechanisch und elektrisch leitfähig verbunden, z.B. durch Bonden, insbesondere Flip-Chip-Bonden, oder mit Hilfe von Leitkleber.at In a further development, the method according to the invention is separated several times for one first circuit arrangement and separately for a second circuit arrangement carried out. The first circuit arrangement is located on a first substrate, but does not carry the second circuit. Vice versa is the second circuit arrangement on a second substrate, but does not carry the first circuit. Both Substrates are in particular first not mechanically connected to each other. Circuitry performed. The Circuit arrangements are only after the implementation of the Method connected to each other mechanically and electrically conductive, e.g. by bonding, in particular flip-chip bonding, or with help of conductive adhesive.
Bei einer alternativen Weiterbildung werden mindestens zwei Schaltungsanordnungen jeweils auf eigenen Substraten hergestellt. Danach werden die Substrate übereinander gestapelt. Erst dann wird das erfindungsgemäß Verfahren einmal für den gesamten Stapel ausgeführt, insbesondere durch Herstellen des Durchgangslochs und durch die galvanische Abscheidung. Somit werden die elektrisch leitfähigen Verbindungen und ggf. auch die mechanische Verbindung zwischen den Substraten bei dieser Weiterbildung beim Galvanisieren hergestellt. Diese Weiterbildung kommt insbesondere ohne zusätzliche und damit fehlerträchtige Verbindungstechnologien zum Herstellen elektrisch leitfähiger Verbindungen aus.at an alternative development, at least two circuit arrangements each made on their own substrates. Thereafter, the substrates are stacked stacked. Only then is the inventive method once for the entire Stack executed, in particular by making the through-hole and by the galvanic deposition. Thus, the electrically conductive connections and possibly also the mechanical connection between the substrates produced in this development during galvanizing. This training comes in particular without additional and thus error prone Connection technologies for producing electrically conductive connections out.
Bei einer nächsten Weiterbildung werden die Substrate beim Stapeln mechanisch fest miteinander verbunden, bspw. mit einem Verbindungsmittel, das zwischen zwei einander benachbarten Substraten angeordnet wird. Zum Verbinden sind vom Waferbonden bekannte Techniken geeignet. Auch Kleben ist besonders geeignet. Jedoch werden auch äußere Spannvorrichtungen verwendet.at one next Further, the substrates are mechanically fixed during stacking connected to each other, for example, with a connecting means, the between two adjacent substrates is arranged. To connect are known from Waferbonden known techniques. Also sticking is particularly suitable. However, external tensioning devices are also used.
Bei einer Weiterbildung wird das Durchgangsloch nach der Herstellung von Bauelementen der integrierten Schaltungsanordnung und vorzugsweise auch nach der Herstellung mindestens einer Leitstrukturlage der Schaltungsanordnung erzeugt. Dies hat den Vorteil, dass die integrierte Schaltungsanordnung vor der Durchführung des Galvanisieren getestet werden kann. Außerdem wird die Qualität der vertikalen Leitstruktur nicht durch die Herstellung der integrierten Schaltungsanordnung beeinträchtigt. Die Leitstrukturlage enthält bei einer Ausgestaltung Leitbahnen aus einem Metall, insbesondere aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung, aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung.In a development, the through hole is produced after the production of components of the integrated circuit arrangement and preferably also after the production of at least one conductive structure layer of the circuit arrangement. This has the advantage that the integrated circuit arrangement can be tested before performing the electroplating. In addition, the quality of the vertical conductive structure is not affected by the manufacture of the integrated circuit. In one refinement, the conductive structure layer contains interconnects made of a metal, in particular copper, a copper alloy, aluminum or an aluminum alloy.
Bei einer alternativen Weiterbildung wird das Durchgangsloch vor der Herstellung von Bauelementen der integrierten Schaltungsanordnung oder vor der Herstellung einer Leitstrukturlage der Schaltungsanordnung erzeugt und vorzugsweise auch galvanisch gefüllt. Diese Alternative verhindert, dass die integrierte Schaltungsanordnung beim Herstellen des Durchgangslochs oder beim Galvanisieren beschädigt wird. Jedoch müssen Materialien im Durchgangsloch verwendet werden, die eine hohe Schmelztemperatur haben, bspw. größer als 800 Grad Celsius oder größer als 900 Grad Celsius.at an alternative development, the through hole in front of the Production of components of the integrated circuit arrangement or before the production of a conductive structure layer of the circuit arrangement produced and preferably also filled electrically. This alternative prevents in that the integrated circuit arrangement during the production of the through-hole or damaged during electroplating becomes. However, you have to Materials used in the through hole, which has a high melting temperature have, for example, greater than 800 degrees Celsius or greater than 900 degrees Celsius.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Schaltungsanordnung, die insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer seiner Weiterbildungen hergestellt ist. Somit gelten die oben genannten technischen Wirkungen auch für die Schaltungsanordnung bzw. für deren Weiterbildungen.The Invention also relates a circuit arrangement, in particular with the inventive method or one of its developments is made. Thus apply the above-mentioned technical effects also for the circuit arrangement or for their Training.
Die integrierte Schaltungsanordnung enthält:
- – ein bspw. einkristallines Substrat, das mindestens ein elektronisches Bauelement oder eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen trägt,
- – eine in dem Substrat angeordnete Aussparung bzw. ein das Substrat durchdringendes Durchgangsloch eines Aspektverhältnisses größer als 10 oder größer als 100,
- – eine in der Aussparung bzw. in dem Durchgangsloch angeordneten Leitstruktur,
- – wobei die vertikale Ausdehnung eines Korns der Leitstruktur größer als das Zehnfache oder größer als das 100-Fache der kleinsten lateralen Abmessung der Leitstruktur ist.
- A, for example, single-crystalline substrate which carries at least one electronic component or a multiplicity of semiconductor components,
- A recess arranged in the substrate or a through-hole penetrating the substrate of an aspect ratio greater than 10 or greater than 100,
- A conductive structure arranged in the recess or in the through hole,
- - wherein the vertical extent of a grain of the guide structure is greater than ten times or greater than 100 times the smallest lateral dimension of the guide structure.
Bei einer Weiterbildung enthält die Schaltungsanordnung mindestens ein weiteres, vorzugsweise einkristallines, Substrat, das bspw. eine Vielzahl von weiteren Halbleiterbauelementen trägt, wobei die Leitstruktur Halbleiterbauelemente beider Substrate miteinander elektrisch leitfähig verbindet. Bspw. werden zwei, drei, vier oder mehr als vier Substrate übereinandergestapelt, die jeweils von Aussparungen bzw. von Durchgangslöchern durchdrungen sind.at a further education contains the circuit arrangement at least one further, preferably monocrystalline, Substrate, the example. A variety of other semiconductor devices wearing, wherein the conductive structure semiconductor devices of both substrates with each other electrically conductive combines. For example. two, three, four or more than four substrates are stacked on top of each other, each penetrated by recesses or through holes are.
Bei einer Weiterbildung erstreckt sich die Leitstruktur durch mindestens zwei Substrate. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren nur einmal für einen Stapel aus Substraten durchgeführt worden, so dass die oben angegebenen technischen Wirkungen auch für die Schaltungsanordnung gemäß dieser Weiterbildung gelten.at In a further development, the lead structure extends through at least two substrates. Thus, the inventive method is only once for one Stack made of substrates so that the above technical effects as well for the Circuit arrangement according to this development be valid.
Bei einer nächsten Weiterbildung besteht die Leitstruktur zwischen den Substraten aus dem gleichen Material wie in den Substraten. Auch dies ist eine Folge der Anwendung eines Galvanisierungsverfahren zum Füllen einer Aussparung bzw. eines Durchgangsloches, die bzw. das mindestens zwei Substrate durchdringt.at one next Continuing consists of the conductive structure between the substrates the same material as in the substrates. This too is one Consequence of using a galvanization process to fill a Recess or a through hole, the or at least penetrates two substrates.
Bei einer nächsten Weiterbildung der Schaltungsanordnung ist ein Teilbereich eines Korns der Leitstruktur in dem einen Substrat angeordnet und ein anderer Teilbereich desselben Korns ist in dem diesem Substrat benachbarten Substrat angeordnet. Auch dies ist eine Folge der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahren zum Füllen eines Durchgangsloches, das zwei Substrate durchdringt, insbesondere eine Folge des beim Galvanisieren auftretenden kolumnaren Wachstums. Zwischen den elektrisch leitfähig miteinander verbundenen Leitstrukturen bzw. Teil-Leitstrukturen benachbarter Substrate befindet sich außer der durchgehenden Leitstruktur also kein zusätzliches elektrisch leitfähiges Verbindungsmittel, insbesondere kein Lot oder Leitkleber.at one next Further development of the circuit arrangement is a subarea of a Grains of the conductive structure are arranged in the one substrate and a another portion of the same grain is in the substrate adjacent to this Substrate arranged. Again, this is a consequence of the application of the inventive method to fill a through-hole penetrating two substrates, in particular a consequence of the columnar growth occurring during electroplating. Between the electrically conductive interconnected conductive structures or partial conductive structures adjacent substrates is so besides the continuous conductive structure no additional electrically conductive Connecting means, in particular no solder or conductive adhesive.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:in the Below are embodiments of the Invention with reference to the accompanying drawings. In this demonstrate:
Die
an Hand der
In
dem Substrat
Die Leitstrukturen sind elektrisch leitfähig und werden üblicherweise aus Metall hergestellt, wobei zur Zeit Kupfer gewählt wird. Bei den Leitstrukturen lassen sich unterscheiden
- – sogenannte Vias, d.h. Verbindungen zum überwiegend vertikalen Stromtransport, die in zwei im Winkel von 90° zueinander liegenden lateralen Richtungen beispielsweise die gleiche Ausdehnung haben, und
- – Leitbahnen, d.h. elektrisch leitende Verbindungen, die hauptsächlich zum lateralen Stromtransport in der integrierten Schaltungsanordnung dienen und die deshalb in einer lateralen Richtung eine erheblich größere Ausdehnung haben als in einer zu dieser lateralen Richtung im Winkel von 90° liegenden lateralen Richtung. Beispielsweise sind die Leitbahnen mehr als zweimal so lang bzw. mehr als fünfmal so lang wie breit.
- - so-called vias, ie connections to the predominantly vertical current transport, which in two at an angle of 90 ° to each other have lateral directions, for example, the same extent, and
- - Conductors, ie electrically conductive connections, which are mainly used for lateral current transport in the integrated circuit arrangement and therefore in a lateral direction have a significantly greater extent than in a lateral direction to this lateral direction at an angle of 90 ° lateral direction. For example, the interconnects are more than twice as long or more than five times as long as they are wide.
Die gleichzeitig hergestellten Leitstrukturen befinden sich in einer Ebene, die parallel zu einer Fläche eines Halbleitersubstrats liegt, in der eine Vielzahl von elektronischen Bauelementen angeordnet ist. Sowohl eine Via-Lage als auch eine Leitbahnlage lässt sich auch als Leitstrukturlage bezeichnen. Die Leitstrukturen einer Leitstrukturlage sind gemäß einem Entwurf gefertigt, der sich vom Entwurf für eine der betreffenden Leitstrukturlage benachbarten Leitstrukturlage unterscheidet.The simultaneously produced lead structures are in one Plane parallel to a plane a semiconductor substrate in which a plurality of electronic components is arranged. Both a Via layer and a Leitbahnlage can be also refer to the lead structure situation. The lead structures of a lead structure situation are according to one Draft designed from the draft for one of the relevant Leitstrukturlage different adjacent Leitstrukturlage.
Die Leitstrukturen einer Lage sind beispielsweise in mit Luft gefüllte Hohlräume eingebettet oder durch elektrisch isolierendes Material voneinander und von den Leitstrukturen anderer Leitstrukturlagen isoliert. Zur Isolierung werden insbesondere Materialien mit einer kleinen relativen Dielektrizitätskonstante eingesetzt, beispielsweise mit einer Dielektrizitätskonstante kleiner als 3,9, d.h. sogenannte low k-Materialien. Unterschieden werden Via-Lagen und Leitbahnlagen, die auch als Metallisierungslagen bezeichnet werden.The Lead structures of a layer are embedded, for example, in air-filled cavities or by electrically insulating material from each other and from the lead structures of other Leitstrukturlagen isolated. For isolation In particular, materials with a small relative dielectric constant used, for example, with a dielectric constant less than 3.9, i. so-called low k materials. A distinction is made between via layers and interconnect layers, also referred to as metallization layers become.
Vor
oder nach dem Erzeugen der Durchgangslöcher
Bspw.
ragt nach dem Galvanisieren Füllmaterial
aus dem Durchgangsloch
Bei
dem auch an Hand der
Bei
anderen Ausführungsbeispielen
werden die Durchgangslöcher
Bei
anderen Ausführungsbeispielen
werden die Durchgangslöcher
Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel werden
die Substrate
Zusammenfassend gilt, dass durch die Erfindung neuartige Verfahren zur Erzeugung von vertikal verlaufenden Lochverbindungen bzw. auch von Nanodrähten (Nanowires) durch eine elektrochemische Abscheidung mit Hilfe einer vergrabenen und nur an vordefinierten Bereichen offenliegenden Opferelektrode bzw. Leitplatte angegeben werden. Die Erfindung findet beispielsweise Anwendung in der Verdrahtungstechnologie in integrierten Schaltkreisen.In summary applies that by the invention novel methods of production of vertically extending hole connections or of nanowires (nanowires) by an electrochemical deposition using a buried and only at predefined areas exposed sacrificial electrode or guide plate can be specified. The invention finds, for example Application in the wiring technology in integrated circuits.
Die Wachstumskeimbildungsschicht kann als Elektrode verwendet werden und die elektrochemische Abscheidung bzw. das pattern plating kann selektiv stattfinden. Eine mögliche Prozessierung besteht darin, als Elektrolyt eine Schwefelsäurekupfersulfat-Lösung (CuSO4) bei optimalen Abscheidebedingungen von 20 mA/cm2 zu verwenden. Geeignete Prozessparameter sind beispielsweise 0,05 Volt, 7 mA (Milliampere), 2 Minuten bzw. 0,05 Volt, 4 bis 5 mA, 1 Minute (wobei dies die Standard Plating Bedingungen sind). Neben einem konstanten Stromfluss ist gegebenenfalls auch ein gepulster Stromfluss geeignet, wobei der Strom bei einer konstanten Spannung gepulst wird.The growth nucleation layer may be used as an electrode and the electroplating or pattern plating may take place selectively. A possible processing is to use a sulfuric acid copper sulfate solution (CuSO 4 ) as electrolyte at optimum deposition conditions of 20 mA / cm 2 . Suitable process parameters are, for example, 0.05 volt, 7 mA (milliamperes), 2 minutes or 0.05 volt, 4 to 5 mA, 1 minute (these are the standard plating conditions). In addition to a constant current flow, a pulsed current flow may also be suitable, wherein the current is pulsed at a constant voltage.
Durch die Erzeugung von vertikalen Verbindungen mit hohem Aspektverhältnis wird der Integrationsprozess erheblich ver einfacht. Die Verbindungsstrukturen werden beispielsweise mit trockenchemischen Ätzverfahren erzeugt und anschließend durch Aufbringen einer Elektrode in einem elektrochemischen Prozess mit einem Metall gefüllt. Als Elektrodenmaterialien sind neben Kupfer auch andere leitfähige Materialien geeignet, z.B. Tantal, Titan, Aluminium, Wolfram, Eisen, Kobalt, Nickel, Ruthenium, gut leitfähige edle Stoffe, insbesondere edle Metalle, oder auch leitfähiger Kohlenstoff, insbesondere amorpher Kohlenstoff, für die Wachstums-Keimbildungsschichten geeignet. Als beim Galvanisieren in dem Durchgangsloch abgeschiedene Materialien sind außer Kupfer oder Kupferlegierungen mit weniger als 5 Atomprozent Zusätzen auch andere leitfähige Materialien geeignet, insbesondere die eben für die Keimbildungsschicht genannten Materialien, wobei für Keimbildungsschicht und Füllmaterial die gleichen oder voneinander verschiedene Materialien eingesetzt werden.By the generation of vertical connections with high aspect ratio becomes the integration process considerably simplified. The connection structures are produced for example by dry chemical etching and then by applying an electrode in an electrochemical process with a metal filled. As electrode materials in addition to copper and other conductive materials suitable, e.g. Tantalum, titanium, aluminum, tungsten, iron, cobalt, Nickel, ruthenium, good conductive noble materials, in particular noble metals, or also conductive carbon, especially amorphous carbon, for the growth nucleation layers suitable. When deposited in the through-hole during plating Materials are out of the box Copper or copper alloys with less than 5 atomic percent additives as well other conductive Materials suitable, in particular those just mentioned for the nucleation layer Materials, being for Nucleation layer and filling material the same or different materials used become.
Die Elektrode wird beispielsweise durch einen chemisch-mechanischen Polierschritt entfernt. Anschließend werden die verschiedenen Systeme oder Systemeinheiten nach den in der 3D-Technologie (dreidimensional) üblichen Methoden übereinander gestapelt, z.B. durch Flip-Chip-Technik, Bonden usw.The Electrode, for example, by a chemical-mechanical polishing step away. Subsequently The different systems or system units are named after the in the 3D technology (three-dimensional) usual methods on top of each other stacked, e.g. through flip-chip technology, bonding, etc.
Verfahren zum Erzeugen von Gräben bzw. Löchern mit kleinen minimalen Strukturbreiten sind u.a.:
- – das sogenannte
Bosch-Verfahren, siehe bspw.
DE 42 41 045 C1 - – verbesserte
Bosch-Verfahren, siehe bspw.
DE 197 06 682 - – oder ein Verfahren gemäß WO 99/49506.
- - The so-called Bosch process, see, for example.
DE 42 41 045 C1 - - improved Bosch process, see, for example.
DE 197 06 682 - - or a method according to WO 99/49506.
Die Löcher bzw. Gräben werden bspw. durch einen dünngeschliffenen Wafer hindurch geätzt. Alternativ wird nach dem Erzeugen der Gräben mindestens bis zum Grabenboden gedünnt, so dass ebenfalls Durchgangslöcher entstehen. Aber auch Bohrverfahren werden zum Erzeugen der Durchgangslöcher eingesetzt, insbesondere Laserbohren oder Bohren mit einem Flüssigkeitsstrahl.The holes or trenches For example, by a thinly ground Wafer etched through. Alternatively, after the trenches are created, at least until the trench bottom thinned so that also through holes arise. But drilling methods are also used to create the through holes, in particular laser drilling or drilling with a liquid jet.
Ein Verfahren zum Erzeugen von Durchgangslöchern mit großen Aspektverhältnissen, z.B. größer als 50, und kleinen Durchmessern, bspw. kleiner als 5 Mikrometer bzw. bei Optimierung sogar kleiner als 1 Mikrometer, ist aus dem Buch von Volker Lehmann "Electrochemistry of Silicon", ISBN 3-527-29321-3, u.a. Seite 200 bekannt. Obwohl das Lehmann-Verfahren ursprünglich für Porenarrays geeignet ist, kann es so abgewandelt werden, das vereinzelte Durchgangslöcher herstellbar sind, z.B. durch die Verwendung von Masken, insbesondere lithografisch strukturierten Masken.One Method for creating through holes with large aspect ratios, e.g. greater than 50, and small diameters, for example. Less than 5 microns or at optimization even smaller than 1 micrometer, is from the book by Volker Lehmann "Electrochemistry of Silicon ", ISBN 3-527-29321-3, et al Page 200 known. Although the Lehmann method was originally used for pore arrays is suitable, it can be modified to produce the isolated through holes are, e.g. through the use of masks, in particular lithographic structured masks.
Neben den oben genannten Galvanisierbedingungen sind auch andere Galvanisierverfahren geeignet. Bspw. wird eine dünne Goldschicht mit einer Dicke von bspw, kleiner als 200 Nanometer als Wachstumskeimbildungsschicht verwendet. Optional wird die Goldschicht auf der vom Durchgangsloch abgewandten Seite mit einer Schicht aus einem anderen leitfähigen Material verstärkt, bspw. mit einer dickeren Kupferschicht, deren Dicke bspw. mehr als 5 Mikrometer beträgt, die jedoch bspw. dünner als 100 Mikrometer ist.Next In the above electroplating conditions, other plating methods are also suitable. For example. becomes a thin one Gold layer with a thickness of, for example, less than 200 nanometers used as growth nucleation layer. Optionally, the gold layer on the side facing away from the through hole with a layer of another conductive Reinforced material, For example, with a thicker copper layer whose thickness, for example. More than 5 microns, however, for example, thinner than 100 microns.
Als Galvanisierbad wird bspw. die folgende Lösung eingesetzt:
- – 220 Gramm/Liter Cu2SO4·5H2O, und
- – 32 Gramm/Liter H2SO4.
- 220 grams / liter of Cu 2 SO 4 .5H 2 O, and
- - 32 grams / liter H 2 SO 4 .
Als Anode dient bspw. ein Kupferstab mit einem Durchmesser von bspw. drei Millimetern. Optional enthält der Kupferstab auch Phosphor. Die Goldschicht ist die Kathode. Die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden beträgt bspw. 200 Millivolt.When Anode serves, for example, a copper rod with a diameter of, for example. three millimeters. Optionally contains the copper rod also phosphorus. The gold layer is the cathode. The Potential difference between the two electrodes is, for example. 200 millivolts.
Bei größeren Lochdurchmessern, bspw. im Mikrometerbereich kann das Durchgangsloch nach dem Aufbringen der Keimbildungsschicht erzeugt werden, wobei auf der auf der Keimbildungsschicht bspw. bei Verwendung eines Ätzverfahrens gestoppt wird. In diesem Fall liegt nur bezüglich des bspw. einkri stallinen Substrates ein Durchgangsloch vor, d.h. eines Loches dass an zwei voneinander abgewandten Flächen des Substrates Öffnungen hat. Das Durchgangsloch verläuft insbesondere geradlinig.at larger hole diameters, For example, in the micrometer range, the through hole after application the nucleation layer are generated, wherein on the on the nucleation layer bspw. when using an etching process is stopped. In this case, only with respect to the example. Einkri stallinen If there is a via hole, i. a hole that at two facing away from each other surfaces of the substrate openings Has. The through hole runs especially straight.
Wird das Durchgangsloch dagegen vor dem Aufbringen der Keimbildungsschicht erzeugt, so wird das Material der Keimbildungsschicht bspw. mit einer Dicke und einem Verfahren aufgebracht die gewährleisten, dass die Keimbildungsschicht die eine Öffnung des Durchgangslochs füllt bzw. schließt.Becomes the through hole on the other hand before the application of the nucleation layer generated, so the material of the nucleation layer, for example, with a thickness and a method applied which ensure the nucleation layer is one opening of the through-hole fills or closes.
- LL
- Laterale Richtunglateral direction
- VV
- Vertikale Richtungvertical direction
- 399399
- Integrierte Schaltungsanordnungintegrated circuitry
- 400400
- Substratsubstratum
- 401, 401b401 401b
- Bauelementeschichtdevice layer
- 402402
- KeimbildungsschichtNucleation layer
- 403403
- DurchgangslochThrough Hole
- 404, 406404 406
- DurchgangslochfüllungThrough-hole filling
- 410410
- Substratsubstratum
- 412, 414412 414
- DurchgangslochfüllungThrough-hole filling
- 416416
- Weitere SubstrateFurther substrates
- OSOS
- Oberseitetop
- 420, 421420 421
- durchgehende Verbindungthrough connection
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Legal Events
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---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8131 | Rejection |