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GEBIET DER
VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung integrierter
Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung von Metallisierungsschichten,
die gut leitfähige
Metalle, wie etwa Kupfer, aufweisen, die in einem dielektrischen
Material eingebettet sind.
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In
modernen integrierten Schaltungen haben die minimalen Strukturgrößen, etwa
die Kanallänge von
Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter 1 μm erreicht,
wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen hinsichtlich der
Geschwindigkeit und/oder der Leistungsaufnahme ständig verbessert wurde.
Da die Größe der einzelnen
Schaltungselemente deutlich verringert wird, wodurch beispielsweise
die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente verbessert wird,
wird auch der verfügbare
Platz für Verbindungsleitungen,
die elektrisch die einzelnen Schaltungselemente verbinden, ebenso
reduziert. Folglich müssen
auch die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen verkleinert werden,
um dem verringerten Anteil an verfügbarem Platz und der erhöhten Anzahl
an Schaltungselementen, die pro Chip vorgesehen sind, Rechnung zu
tragen. In integrierten Schaltungen mit minimalen Abmessungen von
ungefähr
100 nm oder weniger ist ein begrenzender Faktor für die Bauteilleistungsfähigkeit
die Signalausbreitungsverzögerung,
die durch die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente hervorgerufen
wird. Wenn die Kanallänge
dieser Transistorelemente kleiner als 100 nm ist, stellt sich jedoch
heraus, dass die Signalausbreitungsverzögerung nicht mehr durch die Feldeffekttransistoren
begrenzt ist, sondern dass diese auf Grund der erhöhten Schaltungsdichte
durch den geringen Abstand der Verbindungsleitungen beschränkt ist,
da die Kapazität
von Leitung zu Leitung erhöht
und die Leitfähigkeit
dieser Leitungen auf Grund der reduzierten Querschnittsfläche, die
durch den verringerten verfügbaren
Platz erzwungen wird, verringert ist. Die parasitären RC-Zeitkonstanten
erfordern daher die Einführung
neuer Arten von Materialien für
die Herstellung von Metallisierungsschichten.
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Herkömmlich wurden
Metallisierungsschichten aus einem dielektrischen Schichtstapel
mit beispielsweise Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid gebildet,
wobei Aluminium als typisches Metall verwendet wurde. Da Aluminium
einen höheren
elektrischen Widerstand und eine merkliche Elektromigration bei höheren Stromdichten
aufweist, die bei integrierten Schaltungen mit äußerst größenreduzierten Strukturelementen
erforderlich sind, wird Aluminium zunehmend durch Kupfer ersetzt,
das einen deutlich geringeren elektrischen Widerstand und eine höhere Widerstandsfähigkeit
gegen Elektromigration aufweist.
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Die
Einführung
von Kupfer zieht jedoch gewisse Probleme nach sich, die es zu lösen gilt.
Beispielsweise kann Kupfer nicht in größeren Mengen in effizienter
Weise durch gut etablierte Abscheidverfahren, etwa die chemische
oder physikalische Dampfabscheidung aufgebracht werden. Des weiteren
kann Kupfer nicht in wirksamer Weise durch gut etablierte anisotrope Ätzprozesse
strukturiert werden, und daher wird die sogenannte Damaszener-Technik
bei der Herstellung von Metallisierungsschichten mit Kupferleitungen
eingesetzt. Typischerweise wird bei der Damaszener-Technik die dielektrische
Schicht zuerst abgeschieden und anschließend mit Gräben und Kontaktöffnungen
strukturiert, die nachfolgend mit Kupfer durch Galvanisierungsverfahren,
etwa Elektroplattieren oder stromloses Plattieren, gefüllt werden.
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Ein
weiteres Problem bei der Kupfertechnologie ist die Fähigkeit
des Kupfers, gut in Siliziumdioxid zu diffundieren. Daher kann Kupferdiffusion
das Bauteilverhalten negativ beeinflussen oder kann selbst einen
vollständigen
Ausfall des Bauteils hervorrufen. Es ist daher notwendig, eine Diffusionsbarrierenschicht
zwischen den Kupferoberflächen
und den benachbarten Materialien vorzusehen, um im Wesentlichen
zu vermeiden, dass Kupfer in empfindliche Bauteilgebiete wandert.
Dabei kann die Diffusionsbarrierenschicht auch dazu dienen, die
Haftung zu verbessern und der Struktur eine verbesserte mechanische
Stabilität
zu verleihen. Typischerweise werden bei der Damaszener-Technik leitende
Materialien, etwa, zum Beispiel, Tantal (Ta) und Tantalnitrid (TaN)
innerhalb der Gräben
und Kontaktdurchführungen
aufgebracht um eine dünne
Schicht oder einen dünnen
Schichtstapel zu bilden, die die benötigten Barrierencharakteristiken
bereitstellen. Elektrisch leitende Barrierenschichten steuern einerseits
zu der Leitfähigkeit
der gebildeten Verbindungsleitungen bei, müssen aber andererseits von
dem zwischenmetallischen Dielektrikum abgetragen werden um die elektrisch
isolierten Verbindungsleitungen zu bilden.
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Typischerweise
wird die Barrierenschicht durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP)
abgetragen nach einem weiteren CMP Schritt, der zum Abtragen des überschüssigen Kupfers
ausgeführt wird,
das während
des Kupferplattierungsprozesses gebildet wurde, um die Gräben und
Kontaktdurchführungen
zuverlässig
zu füllen.
Typische Barrierenmaterialien, etwa Ta und TaN, zeigen eine deutlich
höhere
Härte als
Kupfer, so dass zumindest im letzten Schritt des CMP-Prozesses die
entsprechenden Prozessparameter so gewählt werden, um eine ausreichend
hohe Abtragsrate zu erhalten, wobei jedoch die Kupfer-Verbindungsleitungen
und die darunter liegende dielektrische Schicht auf Grund von möglichem
Einkerben (Dishing) und Erosion gefährdet werden, besonders wenn „weiche" dielektrische Materialien
mit kleinem ε zum
Einsatz kommen. Da ein gewisses Maß an Nachpolieren erforderlich
ist, um die einzelnen Gräben
und Leitungen elektrisch voneinander zu isolieren, kann ein deutliches
Nachpolieren des Kupfers auftreten, insbesondere wenn die Abtragsrate über die
Substratoberfläche
hinweg verschieden ist. Die endgültigen
Gräben
und Kontaktdurchführungen
können
dann eine ungewünschte Schwankung
des Widerstandes auf Grund von Streuungen in den Querschnittsflächen zeigen,
so dass es erforderlich ist, die Prozesstoleranzen entsprechend weiter
festzulegen.
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Siliziumnitrid
ist als eine weitere wirksame Kupferdiffusionsbarriere bekannt und
wird daher häufig
als dielektrisches Barrierenmaterial verwendet, das die obere Kupferoberfläche von
einer dielektrischen Zwischenschicht, etwa Siliziumdioxid, trennt. Wie
zuvor angemerkt ist, ist das Bauteilverhalten von äußerst größenreduzierten
integrierten Schaltungen im Wesentlichen durch die parasitären Kapazitäten benachbarter
Verbindungsleitungen begrenzt, die durch Verringern des Widerstands
und durch Reduzieren der kapazitiven Ankopplung reduziert werden können, indem
die gesamte dielektrische Konstante so klein wie möglich gehalten
wird. Da Siliziumnitrid eine relativ hohe dielektrische Konstante ε von ungefähr 7 im
Vergleich zu Siliziumdioxid (ε ≈ 4) oder anderen
dielektrischen Materialien mit kleinem ε auf Siliziumdioxidbasis (ε < 4) aufweist, werden
häufig
Barrierenschichten auf der Basis von Siliziumkarbid verwendet. Ferner
kann Siliziumkarbid eine erhöhte
Bindungsfähigkeit
an der Grenzfläche
zu Materialien mit kleinem ε im
Vergleich zu Siliziumnitrid bereitstellen. Nach dem neustem Stand
der Technik der Halbleiterbauelemente kann jedoch sogar die niedrigere
Dielektrizitätskonstante
des Siliziumkarbids (ε ≈ 5) die Gesamtdielektrizitätskonstante
des entstehenden dielektirschen Schichtstapels unzulässig beeinträchtigen.
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Obwohl
Kupfer bessere Eigenschaften hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit
gegen Elektromigration im Vergleich zu beispielsweise Aluminium zeigt,
führt die
weitergehende Reduzierung der Strukturgrößen zu einer weiteren Abnahme
der Größe von Kupferleitungen
und damit zu erhöhten Stromdichten
in diesen Leitungen, wodurch wiederum ein nicht akzeptables Maß an Elektromigration trotz
der besseren Eigenschaften des Kupfers hervorgerufen wird. Elektromigration
ist ein Diffusionsphänomen,
das unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes auftritt und zu
einer Metalldiffusion in Richtung der sich bewegenden Ladungsträger führt, wodurch
letztlich Hohlräume
in den Metallleitungen erzeugt werden, die einen Bauteilausfall
verursachen können.
Im Fall von Kupfer hat es sich bestätigt, dass diese Hohlräume typischereweise
an der Grenzfläche
des Kupfers und der Barrierenschicht entstehen können, insbesondere an der oberen
Grenzfläche
mit der dielektrischen SiN-, oder SiC-Barrierenschicht, und einen der wichtigsten
Diffusionswege in den Kupfermetallisierungsstrukturen darstellen.
Es ist daher von großer
Bedeutung, Grenzflächen
von hoher Qualität
zwischen dem Kupfer und der Diffusionsbarriere, etwa der Siliziumnitridschicht
oder Siliziumkarbidschicht, herzustellen, um die Elektromigration
auf ein akzeptables Maß zu
reduzieren.
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Die
obere Grenzfläche
des Kupfers und der Barrierenschicht kann nachteilig durch mechanische Spannung
beeinflusst werden. Mechanische Spannung kann, zum Beispiel, thermisch,
auf Grund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der benutzten Materialien oder mechanisch, zum Beispiel, in einem
anschließend
ausgeführten CMP-Schritt
erzeugt werden. Deshalb kann die obere Barrierenschicht auf einer
vertieften Kupferoberfläche
einer Kupferverbindungsleitung aufgebracht werden, um die verbesserten
mechanischen Eigenschaften einer „eingebetteten" Struktur zu bieten
und um winzige Lücken,
die das Elektromigrationverhalten an der oberen Grenzschicht des
Kupfers und der Diffusionsbarriere nachteilig beeinflussen können, zu reduzieren.
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Die
vertiefte obere Oberfläche
der Kupferverbindungsleitung wird typischerweise in einem getrennten
Nass- oder Trocken-Ätzprozess
gebildet, der jedoch schwer zu kontrollieren ist, da der Ätzprozess
in der Volumen-Kupferschicht genau gestoppt werden muss, um eine
Vertiefung mit einer gewünschten
Tiefe von wenigen Nanometern zu bilden. Des Weiteren, kann die Kupferkornstruktur
die Gleichmäßigkeit
des Ätzprozesses
beeinflussen, da die Ätzrate
an der Korngrenze sich signifikant von der Ätzrate in den Kupferkörnern unterscheiden
kann. Folglich kann der Ätzprozess
eine ziemlich raue vertiefte Oberfläche ausbilden und kann den
Nutzen einer eingebetteten oberen Barrierenschicht in Bezug auf
das Elektromigrationverhalten schmälern. In ungünstigen
Fällen
kann der Ätzprozess
sogar die Kupferverbindungsleitung beschädigen und so die Zuverlässigkeit
eines Halbleiterbauelements, das die Kupferverbindungsleitung aufweist,
beeinträchtigen.
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Zusätzlich kann,
unabhängig
von dem verwendeten Barrierenmaterial, eine deutliche Elektromigration
in modernen integrierten Schaltungen beobachtet werden, wobei dieser
Effekt sich beim Auftreten von höheren
Temperaturen, von mechanischen Spannungen und dergleichen, die typische
Betriebsbedingungen moderner integrierter Schaltungen repräsentieren,
noch verstärkt.
Daher kann eine weitere Größenreduzierung
des Bauteils zu einem beeinträchtigten
Bauteilverhalten oder zu einem vorzeitigem Bauteilausfall auf Grund
der erhöhten
Metalldiffusion entlang der Grenzfläche zwischen der Barrierenschicht
und der Metallleitung führen.
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Angesichts
der Probleme in Bezug auf die Zuverlässigkeit der Bauteile, auf
die parasitären
RC Zeitkonstanten und auf die Elektromigration von Metallen, etwa
von Kupfer, an Grenzflächen
zu darüber liegenden
Flächen
einer Barrierenschicht ist eine verbesserte Technik erforderlich,
die einige der oben erkannten Probleme eliminieren oder zumindest
verringern kann.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung eine Technik, um
die Zuverlässigkeit
von Verbindungsleitungen zu verbessern, um die parasitären RC Zeitkonstanten
zu reduzieren und um wirksam die Diffusionsaktivität einer
Metallleitung an einer Grenzfläche
zu einer Deckschicht zu reduzieren, wobei die Tendenz des Metalls
zur Elektromigration während
erhöhter
Stromdichten innerhalb der Metallleitung deutlich verkleinert wird.
Zu diesem Zweck wird die vertiefte obere Oberfläche von der Kupferverbindungsleitungsstruktur
durch einen chemisch-mechanischen Polierprozess gebildet, der eine
verbesserte Oberflächenglätte und
eine verbesserte Tiefengleichförmigkeit
der oberen Oberfläche der
Verbindungsleitung bieten kann.
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Gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bilden einer
dielektrischen Schicht über
einem Substrat and das Bilden eines Metallgebiets in einer dielektrischen
Schicht, wobei das Metallgebiet eine freiliegende Oberfläche aufweist.
Des Weiteren umfasst das Verfahren das Einstellen von chemisch-mechanischen
Polierprozessparametern zum Polieren der freiliegenden Oberfläche und
das Ausführen
eines chemisch-mechanischen Polierprozesses auf der freiliegenden
Oberfläche
mit den Parametern, um absichtlich eine tieferliegende Oberfläche in dem
Metallgebiet zu bilden.
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Gemäß einer
weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst eine Damnaszener-Struktur eine
dielektrische Schicht, die über
einem Substrat gebildet wird und ein Metallgebiet, das in der dielektrischen
Schicht gebildet wird. Des Weiteren umfasst die Damnaszener-Struktur
ein elektrisch leitendes Barrierendeckschichtgebiet, das über dem
Metallgebiet gebildet ist.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst eine Damnaszener-Struktur eine
dielektrische Schicht, die über
einem Substrat gebildet wird, ein Metallgebiet, das in der dielektrischen
Schicht gebildet ist und ein Barrierendeckschichtgebiet, das über dem
Metallgebiet in der dielektrischen Schicht gebildet ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert
wird. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer CMP-Einheit, die geeignet ist die
vorliegende Erfindung auszuführen;
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2 eine
vereinfachte schematische Darstellung einer CMP-Station, die geeignet
ist Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung auszuführen;
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3a bis 3e schematisch
Querschnittsflächenansichten
einer Damnaszener-Struktur während
verschiedener Stufen des Bildens einer Metallleitung gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung;
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4a bis 4c schematisch
Querschnittsflächenansichten
einer Damnaszener-Struktur während
verschiedener Stufen des Bildens einer Metallleitung mit einer „eingebetteten" Barrierendeckschicht
gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung; und
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5a und 5b schematisch
Querschnittsflächenansichten
einer Damnaszener-Struktur in Übereinstimmung
mit weiteren anschaulichen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist,
wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den
Zeichnungen dargestellt sind, sollte es selbstverständlich sein,
dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen
nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen
anschaulichen offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar,
deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Es
sollte angemerkt werden, dass die vorliegende Erfindung insbesondere
vorteilhaft ist für
die Herstellung moderner integrierter Schaltungen mit Kupferleitungen
in entsprechenden Metallisierungsschichten, wobei die lateralen
Abmessungen der Kupferleitungen in der Größenordnung von 130 nm oder
sogar darunter liegen können,
da dann die erforderlichen Stromdichten in diesen Kupferleitungen
zu einer erhöhten
Elektromigration des Kupfers führen können, woraus
ein vorzeitiger Bauteilausfall oder eine reduzierte Bauteilleistungsfähigkeit
resultieren kann. Somit ermöglicht
die vorliegende Erfindung eine weitere Bauteilgrößenreduzierung von Halbleiterbauelementen
auf Kupferbasis, wobei die Erfindung auch auf Halbleiterbauelemente
mit größeren lateralen
Abmessungen, wie sie oben spezifiziert sind, angewendet werden kann,
womit ein Beitrag zu einer erhöhten
Zuverlässigkeit
derartiger Halbleiterbauelemente geleistet wird. Des Weiteren können die Prinzipien
der vorliegenden Erfindung ebenso vorteilhaft in Kombination mit
anderen Metallen, die für
die Herstellung von Metallleitungen in Halbleiterbauelementen als
geeignet erachtet werden, angewendet werden. Zum Beispiel kann die
vorliegende Erfindung vorteilhaft mit Kupferverbindungen, Aluminium und
dergleichen eingesetzt werden. Es sollte daher beachtet werden,
dass die vorliegende Erfindung nicht auf Bauteilabmessungen und
Materialien eingeschränkt
gesehen werden soll, sofern derartige Einschränkungen nicht explizit in den
angefügten
Patentansprüchen
aufgeführt
sind.
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Mit
Bezug zu der 1, der 2, den 3a bis 3e,
den 4a bis 4c und
den 5a und 5b werden
nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung detaillierter beschrieben.
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1 zeigt
schematisch ein CMP-System 100, das benutzt werden kann
um gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Verfahren auszuführen,
das auf einem CMP-Prozess basiert. Das CMP-System 100 umfasst
einen Teller 101, auf dem ein Polierkissen 102 montiert
ist. Der Teller 101 ist drehbar an einer Antriebsanordnung 103 befestigt,
die ausgebildet ist, den Teller 101 bei einer gewünschten
Drehzahl zwischen einem Bereich von Null bis einige hundert Umdrehungen
pro Minute zu rotieren. Ein Polierkopf 104 ist mit einer
Antriebsanordnung 105 gekoppelt, die ausgebildet ist, den
Polierkopf 104 zu drehen und diesen radial in Bezug auf
den Teller 101 zu bewegen, wie dies durch den Richtungspfeil 106 angezeigt ist.
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Ferner
kann die Antriebsanordnung 105 so ausgebildet sein, um
den Polierkopf 104 in einer beliebigen gewünschten
Weise zu bewegen, wie dies zum Einladen und Ausladen eines Substrats 107 erforderlich
ist, das von dem Polierkopf 104 empfangen und in Position
gehalten wird. Eine Schleifmittellösungszufuhr 108 ist
vorgesehen und so positioniert, dass eine Schleifmittellösung 109 in
geeigneter Weise dem Polierkissen 102 zugeführt werden
kann. Die Menge von einem in der Schleifmittellösung enthaltenem Komplexbildner
kann kontrolliert werden, um die Bildung von chemisch aktiven Verbindungen
zu unterstützen.
Das entsprechende Kontrollmittel, das ein Ventil sein kann, welches
den Fluss des Komplexbildners kontrolliert, kann an der Schleifmittellösungszufuhr 108 angebracht
sein oder kann an einer separaten Schleifmittellösungszufuhreinheit (nicht dargestellt)
bzw. Schleifmittellösungsaufbereitungsungseinheit
(nicht dargestellt) angeordnet sein.
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Die
CMP-Einheit 100 umfasst ferner ein konditionierendes System 110,
das im Weiteren auch als Kissenkonditionierer 110 bezeichnet
wird, mit einem Kopf 111, an dem ein konditionierendes
Element 113 mit einer konditionierenden Oberfläche mit
einem geeigneten Material, etwa Diamant mit einer speziellen Oberflächenstruktur,
die so gestaltet ist, um eine konditionierende Wirkung auf das Polierkissen 102 zu steuern, angebracht
ist. Der Kopf 111 ist mit einer Antriebsanordnung 112 verbunden,
die wiederum ausgebildet ist, um den Kopf 111 zu drehen
und diesen radial in Bezug auf den Teller 101 zu bewegen,
wie dies durch den Pfeil 114 angedeutet ist. Des Weiteren
kann die Antriebsanordnung 112 so ausgestaltet sein, dass
sie den Kopf 111 eine beliebige Bewegbarkeit verleiht,
die zum Erreichen des geeigneten konditionierenden Effekts erforderlich
ist.
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Die
CMP-Einheit 100 umfasst ferner eine Steuereinheit 120,
die funktionsmäßig mit
den Antriebsanordnungen 103, 105 und 112 und
der Schleifmittellösungszufuhr 108 verbunden
ist, um die Schleifmittellösungsabgabe
zu steuern und vor allem, um die Menge des Komplexbildners, der
in der Schleifmittellösung
enthalten ist, zu steuern. Die Steuereinheit 120 kann aus
zwei oder mehr Teileinheiten aufgebaut sein, die mittels geeigneter
Kommunikationsnetzwerke in Verbindung stehen, etwa durch Kabelverbindungen,
drahtlose Netzwerke und dergleichen. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 120 eine
Untersteuereinheit aufweisen, wie sie in konventionellen CMP-Einheiten vorgesehen
ist, um in geeigneter Weise Steuersignale 121, 122, 123 und 124 zu
den Antriebsanordnungen 105, 103, 112 und der
Schleifmittellösungszufuhr 108 zu
liefern, um die Bewegung des Polierkopfes 104, des Polierkissens 102 und
des Kissenkonditionierers 110 zu koordinieren und um die
Menge des in der Schleifmittellösung 109 enthaltenem
Komplexbildners zu steuern. Die Steuersignale 121, 122 und 123 können eine
beliebige geeignete Signalform repräsentieren, um die entsprechenden
Antriebsanordnungen zu instruieren, mit der erforderlichen Rotations- und/oder Translationsgeschwindigkeit
zu arbeiten.
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Während des
Betriebs der CMP-Einheit 100 wird das Substrat 107 in
den Polierkopf 104 eingeladen, der geeignet positioniert
worden ist, um das Substrat 107 aufzunehmen und dieses
zu dem Polierkissen 102 zu transportieren. Es sollte beachtet werden,
dass der Polierkopf 104 typischerweise mehrere Gasleitungen
aufweist, die Vakuum und/oder Gase zu dem Polierkopf 104 führen, um
das Substrat 107 zu fixieren und um eine spezielle Andruckskraft
während
der Relativbewegung zwischen dem Substrat 107 und dem Polierkissen 102 auszuüben.
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Die
diversen Funktionen, die für
den korrekten Betrieb des Polierkopfes 104 erforderlich
sind, können
ebenso von der Steuereinheit 120 gesteuert werden. Die
Menge des Komplexbildners, der in der Schleifmittellösung 109 enthalten
ist, ist dem durchzuführenden
Polierprozess entsprechend angepasst. Die Schleifmittelzufuhr 108 wird
betätigt,
beispielsweise durch die Kontrolleinheit 120, um die Schleifmittellösung 109 mit
einer kontrollierten Menge an Komplexbildner zuzuführen. Die
Schleifmittellösung wird
auf dem Polierkissen 102 beim Drehen des Tellers 101 und
des Polierkopfes 104 verteilt. Die Steuersignale 121 und 122,
die den Antriebsanordnungen 105 und 103 zugeführt werden,
bewirken eine spezielle Relativbewegung zwischen dem Substrat 107 und
dem Polierkissen 102, um ein gewünschtes Abtragsverhalten zu
erreichen, das, wie zuvor erläutert, unter
anderem von den Eigenschaften des Substrats 107, dem Aufbau
und dem momentanen Status des Polierkissens 102, der Zusammensetzung
der verwendeten Schleifmittellösung 109,
der relativen Geschwindigkeit zwischen dem Polierkopf und dem Polierkissen 102 und
von der auf das Substrat 107 ausgeübten Andruckskraft abhängt. Vor
und/oder während
des Polierens des Substrats 107 wird das konditionierende
Element 113 mit dem Polierkissen 102 in Berührung gebracht,
um die Oberfläche
des Polierkissens 102 wieder aufzubereiten. Dazu wird der Kopf 111 in
Drehung versetzt und/oder über
das Polierkissen 102 geschwenkt, wobei z. B. die Steuereinheit 120 das
Steuersignal 123 so bereitstellt, dass eine im Wesentliche
konstante Geschwindigkeit, beispielsweise eine Rotationsgeschwindigkeit,
während des
Konditionierungsprozesses beibehalten wird. Verschiedene CMP-Prozesse
können
folgerichtig auf einer einzelnen CMP-Einheit 100 ausgeführt werden oder
können
vorzugsweise auf einer CMP-Station durchgeführt werden, die mehrere CMP-Einheiten umfasst,
um verschiedene CMP-Prozesse auszuführen, welche beispielsweise
verschiedene Polierkissen und/oder verschiedene Schleifmittellösungszusammensetzungen
auf verschiedenen CMP-Einheiten benötigen.
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2 zeigt
auf vereinfachte Weise schematisch eine CMP-Station 200 die
dafür geeignet
sein kann um eine Abfolge von CMP-Prozessen entsprechend der vorliegenden
Erfindung ausführen.
Die CMP-Station 200 umfasst eine Vielzahl von CMP-Einheiten 200, 225 und 230,
die unabhängig voneinander
bedient werden können.
Mindestens eine der CMP-Einheiten 200, 225 und 230 umfasst die
Steuerfähigkeit
der CMP-Einheit 100 aus 1. Jede
der CMP-Einheiten 220, 225 und 230 umfasst einen
Polierkopf 204, der ein geeignetes Antriebsmittel 205 mit
einschließt.
Die Polierköpfe 204 sind
geeignet um ein Substrat 207, das poliert werden soll, zu
erhalten, in Position zu halten und um es zu befördern. Außerdem schließen die
CMP-Einheiten 220, 225 und 230 jeweils
einen Polierteller mit einem darauf vorgesehenen Polierkissen 202 und
einen Kissenkonditionierer 210 sowie eine Schleifmittellösungszufuhr 208 ein.
Es sollte beachtet werden, dass die CMP-Station 200 ziemlich
komplex ist und normalerweise viele Antriebsmittel umfasst, um die
Polierkissen 202 relativ zu den Polierköpfen 204, wie durch
die entsprechenden Pfeile angezeigt, anzutreiben. Außerdem sind
die Polierköpfe 204 so
konfiguriert, um eine Aufbringen einer speziellen Andruckskraft
auf das daran befestigte Substrat zu erlauben. Des Weiteren sind
der Polierkopf und die damit verbundenen Antriebsmittel konfiguriert,
um den Substrattransport von einer CMP-Einheit zu einer anderen zu bieten,
so dass ein Substrat von den CMP-Einheiten 220, 225 und 230 der
CMP-Station 200 nacheinander bearbeitet werden kann.
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Während des
Betriebs wird ein Substrat 207 mit Kupfer enthaltenden
Oberflächenbereichen,
die zu polieren sind, etwa eine Damaszener-Struktur, wie sie mit
Bezug zu 3a beschrieben ist, zu der CMP-Einheit 220 zugeführt. Prozessparameter,
etwa die Größe der Relativgeschwindigkeit
zwischen dem Polierkissen 202 und dem Polierkopf 204,
die ausgeübte
Andruckskraft, die Art der durch die Schleifmittellösungszufuhr 208 zugeführten Schleifmittellösung, der
Polierzeit und dergleichen, werden entsprechend dem spezifizierten
Prozessrezept eingestellt. Typischerweise werden zumindest drei
Polierschritte ausgeführt,
um überschüssiges Material
zu entfernen, um die obere Oberfläche von einer Verbindungsleitung
zu vertiefen, wie es noch genauer in Bezug auf 3a beschrieben
werden wird und um eine Barrierenschicht zu entfernen, um eine Damaszener-Struktur
gemäß der vorliegenden
Erfindung zu bilden, wobei zumindest der CMP-Schritt, um eine vertiefte
Oberfläche
zu bilden, auf der CMP-Einheit verrichtet wird, die die Steuerfähigkeit
der CMP-Einheit 100 aus 1 hat. Nach
Abschluss der ersten Phase des CMP-Prozesses wird das Substrat 207 zu der
CMP-Einheit 225 befördert,
um einem zweiten Polierschritt entsprechend dem spezifizierten Prozessrezept
unterworfen zu werden. Nach Abschluss der zweiten Phase des CMP-Prozesses
wird das Substrat 207 zu der CMP-Einheit 230 befördert, um einem
dritten Polierschritt entsprechend dem spezifizierten Prozessrezept
unterworfen zu werden. Wenn der auf der Prozesseinheit 230 ausgeführte Prozess der
letzte der Polierabfolge ist, dann wird das Substrat 207 typischerweise
einem Spülverfahren
unterzogen, bei dem zum Beispiel deionisiertes Wasser verwendet
wird, um Teilchen und/oder Zusatzstoffe von der Substratoberfläche zu entfernen.
Nach der CMP-Sequenz zeigen auf Kupfer basierende Metallgebiete
die vertiefte Oberfläche,
wie sie in Bezug auf die 3a bis 3e dargelegt
wird.
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In 3a umfasst
eine Damnaszener-Struktur 300 ein Substrat 307,
welches ein Halbleitermaterial, das in oder auf dem Substrat 307 vorgesehen
ist und das ein beliebiges Halbleiterelement oder eine Halbleiterverbindung
aufweisen kann, die für
die Herstellung integrierter Schaltungen geeignet ist. Da der überwiegende
Teil der integrierten Schaltungen als Bauteile auf Siliziumbasis
hergestellt wird, kann das Substrat 307 ein Siliziumsubstrat
oder ein SOI-(Silizium auf Isolator)Substrat repräsentieren,
auf dem eine Vielzahl von Schaltungselementen gebildet sind, die
miteinander entsprechend dem Schaltungsaufbau mittels einer noch
zu bildenden Metallleitung verbunden sind. Der Einfachheit halber
sind derartige Schaltungselemente in dem Substrat 307 nicht
gezeigt. Eine dielektrische Schicht 354, die aus einem beliebigen
geeigneten dielektrischen Material, etwa Siliziumdioxid und/oder
Siliziumnitrid, oder einem dielektrischen Material mit kleinem ε, etwa SiCOH,
Polymeren und dergleichen aufgebaut sein kann, ist über dem
Substrat 307 gebildet. Die dielektrische Schicht 354 enthält eine Öffnung,
die mit einem gut leitenden Material von einer aufgebrachten Metallschicht 356 gefüllt wird.
Eine Barrierenschicht 358 ist zwischen der Metallschicht 356 und
der dielektrischen Schicht 354 angebracht.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung der Damaszener-Struktur 300,
wie in 3a gezeigt ist, kann die folgenden
Prozesse umfassen. Nach dem Bereitstellen des Substrats 307,
das die Herstellung diverser Schaltungselemente entsprechend gut etablierter
Herstellungsprozesse beinhalten kann, wird die dielektrische Schicht 354 über dem
Substrat 307 durch gut etablierte Prozesse hergestellt,
die entsprechend den Eigenheiten der dielektrischen Schicht 354 ausgewählt werden.
Beispielsweise kann die dielektrische Schicht 354 einen
Siliziumdioxid/Siliziumnitrid-Schichtstapel mit einer dünnen Siliziumnitridschicht
(nicht gezeigt), gefolgt von einer dicken Siliziumdioxidschicht
aufweisen, wobei diese Schichten durch gut etablierte plasmaunterstützte chemische
Dampfabscheid-(PECVD)Techniken mit einer erforderlichen Dicke abgeschieden
werden können,
wobei die Siliziumnitridschicht als eine Ätzstoppschicht in einem nachfolgenden
Strukturierungsprozess dienen kann. In anderen Ausführungsformen
kann die dielektrische Schicht 354 durch Aufschleuderverfahren
gebildet werden, wenn die dielektrische Schicht 354 im
Wesentlichen aus einem Polymermaterial mit kleinem ε aufgebaut
ist.
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Danach
wird die Öffnung
in der dielektrischen Schicht 354 durch moderne Photolithographie- und
ansiotrope Ätztechniken
gebildet, wobei, wie zuvor erläutert,
eine entsprechende Ätzstoppschicht beim
zuverlässigen
Anhalten des anisotropen Ätzprozesses
auf oder in der Ätzstoppschicht,
die nachfolgend an entsprechenden Gebieten zur Herstellung von Verbindungen
zu in dem Substrat 307 gebildeten Schaltungselementen geöffnet werden
kann, hilfreich ist.
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Die
Seitenwände
und der Boden der Öffnung kann
durch eine leitende Barrierenschicht 358 bedeckt sein,
um im Wesentlichen die Diffusion des Metalls in das umgebende Dielektrikum
der Schicht 354 zu verhindern und/oder um die benötigte Haftung
zu der Metallschicht 356 zu vermitteln. Die leitende Barrierenschicht 358 kann
in Kombination mit Kupfer oder mit auf Kupfer basierenden Legierungen
vorgesehen werden, da Kupfer leicht in eine Vielzahl von dielektrischen
Materialien diffundiert, wie Siliziumdioxid und Dielektrika mit
kleinem ε.
Die leitende Barrierenschicht 358 kann zwei oder mehrere
Unterschichten umfassen, um den Anforderungen in Hinsicht auf Diffusionsverringerung
und Hafteigenschaften gerecht zu werden. Die leitende Barrierenschicht 358 kann
durch fortschrittliche physikalische Dampfabscheidung (PVD), chemische
Dampfabscheidung, Atomlagenabscheidung und dergleichen abgeschieden
werden. Wenn z. B. Kupfer verwendet wird, kann eine Tantal/Tantalnitrid-Doppelschicht
mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 5 bis 50 nm gebildet werden.
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Die
Schicht 356 aus gut leitendem Material kann Kupfer, Kupferlegierungen,
Aluminium, Aluminiumlegierungen, oder ein beliebiges anderes Metall enthalten,
das für
geeignet gehalten wird die benötigte
Leitfähigkeit
bereitzustellen. In besonderen Ausführungsformen wird die Metallschicht 356 im
Wesentlichen Kupfer umfassen, da Kupfer derzeit als der meist versprechende
Kandidat für
die Bildung von gut leitenden Metallschichten angesehen wird.
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Abhängig von
dem Abscheidprozess zum Aufbringen der Metallschicht 356 kann
eine Saatschicht (nicht gezeigt) auf der leitenden Barrierenschicht 358 abgeschieden
werden, um die Metallabscheidung in einem nachfolgenden Plattierungsprozess
zu fördern.
Wenn z. B. Kupfer durch Elektroplattieren abzuscheiden ist, kann
eine dünne
Kupfersaatschicht durch Sputter-Abscheidung aufgebracht werden.
Danach wird die Metallschicht 356, beispielsweise mit Kupfer,
Kupferverbindungen und dergleichen durch beispielsweise Elektroplattieren, stromloses
Plattieren und dergleichen abgeschieden, um die Öffnung in der dielektrischen
Schicht 354 zuverlässig
zu füllen.
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Typischerweise
muss während
des Abscheidvorganges überschüssiges Metall
abgeschieden werden, um die Öffnung
zuverlässig
zu füllen, wobei
die Metallreste dann durch beispielsweise chemisch-mechanisches
Polieren (CMP) und/oder elektrochemisches Ätzen und/oder chemisches Ätzen entfernt
werden müssen.
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3b zeigt
die Damaszener-Struktur 300 nachdem das überschüssige Metall
entfernt wurde. Entsprechende Prozesse um das überschüssige Metall von der dielektrischen
Schicht 354 zu entfernen sind im Stand der Technik gut
etabliert. Indem das überschüssige Metall
entfernt wird, wird das Metallgebiet 356a gebildet, wobei
eine obere Oberfläche 360 davon
durch den Entfernungsprozess freigelegt wird.
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Für den Fall,
dass ein CMP-Entfernungsprozess verwendet wird, kann, zum Beispiel,
eine CMP-Einheit 100 wie in 1 beschrieben
verwendet werden. Wenn der CMP-Prozess
auf einem CMP-System 200, wie in 2 beschrieben,
durchgeführt
wird, kann der Prozess, zum Beispiel, auf der CMP-Einheit 220 ausgeführt werden.
Entsprechende CMP-Rezepte, die einen entsprechenden Satz an Parametern,
insbesondere für
das CMP bei Kupfer, definieren, sind gut bekannt. Die Rezepte legen
zumindest die geeigneten Parameter für die auf das Substrat 307 ausgeübte Andruckskraft,
die relative Geschwindigkeit zwischen dem Substrat 307 und dem
Polierkissen 102, die Menge an Komplexbildner, die in der
zugeführten
Schleifmittellösung
enthalten ist und die Härte
des Polierkissens 102 fest. Des Weiteren können Parameter
zum Steuern des Kissenkonditionierers 110, zum Beispiel,
das Konditionierintervall, die (Rotations- und/oder Translations-)Geschwindigkeit
des Konditoinierers und/oder die Oberflächenstruktur des Konditionierers,
definiert werden. Bei Kupferleitungen kann die Barrierenschicht 358 als
eine CMP-Stoppschicht dienen, da die Barrierenschicht 358,
zum Beispiel, wenn Ta oder TaN verwendet werden, härter ist
als das Kupfermaterial und im Wesentlichen dem Kupfer CMP wiederstehen
kann.
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3c zeigt
die Damaszener-Struktur 300 nachdem ein speziell entwickelter
CMP-Prozess zum Vertiefen
der oberen Oberfläche 360 des
Metallgebietes 356a angewendet wurde, wodurch eine Metallregion 356b gebildet
wird, die eine tieferliegende obere Oberfläche 360a hat. Ein
oberer Anteil 370 der Seitenwände der Öffnung in der dielektrischen Schicht 354,
der mit der Barrierenschicht 358 bedeckt sein kann, ist
freigelegt.
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Um
die gesamte Oberfläche 360 tieferzulegen
kann eine CMP-Einheit 100, wie in 1 beschrieben,
verwendet werden, die Teil eines CMP-Systems 200 sein kann,
wie in 2 beschrieben. Der CMP-Prozess kann, zum Beispiel
auf der CMP-Einheit 225 ausgeführt werden, nachdem das Substrat
von der Einheit 220 zur Einheit 225 befördert wird.
Das CMP-Rezept, um die Oberfläche 360 zu
vertiefen nachdem überschüssiges Metall
entfernt wurde, unterscheidet sich von den konventionellen CMP-Rezepten
um überschüssiges Kupfer
zu entfernen insofern, dass die auf das Substrat 307 ausgeübte Andruckskraft
erhöht
wird, und/oder die relative Geschwindigkeit zwischen dem Substrat 307 und
einem Polierkissen 102 reduziert wird, und/oder die Menge
an Komplexbildner, die in der zugeführten Schleifmittellösung enthalten
ist, erhöht
wird, und/oder ein weicheres Polierkissen 102 verwendet wird,
und/oder das Polierkissen 102 stärker geprägt ist, und/oder der Kissenkonditionierungseffekt
erhöht wird,
zum Beispiel, indem man eine gröbere
Oberflächenstruktur
der konditionierenden Oberfläche
verwendet. In anschaulichen Ausführungsformen
kann die Andruckskraft im Bereich von ungefähr 5–7 psi liegen, die relative
Geschwindigkeit kann weniger als annähernd 50 m/min sein, die Menge
an Komplexbildner kann durch einen Faktor im Bereich von 2 bis 10
erhöht
werden, und ein geprägtes
Politex-Kissen kann verwendet werden. In einer speziellen Ausführungsform,
wird die Menge an Komplexbildner um einen Faktor von annähernd 4
erhöht.
Die Polierzeit liegt im Bereich von etwa 10 bis 30s.
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Wenn
der CMP-Prozess zum Vertiefen der Oberfläche 360 vor dem Entfernen
des Barrierenmaterials ausgeführt
wird, kann die Barrierenschicht 358 wieder als eine CMP
Stoppschicht dienen. Freigelegte Ecken der Barrierenschicht 358 können während diesem
Prozess abgerundet werden, aber auf Grund der höheren Härte des Materials der Barriere
wird die Barrierenschicht 358 in wesentlichen dem CMP-Prozess
wiederstehen, ohne das dielektrische Material zu beeinträchtigen.
Als Ergebnis wird die vertiefte Oberfläche 360a des Metallgebietes 356b gebildet, wobei
die vertiefte Oberfläche,
auf Grund der entsprechend angepassten CMP-Parametern, im Wesentlichen
glatt und im Wesentlichen flach ist.
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Der
CMP-Prozess zum Entfernen des überschüssigen Kupfers,
wie in Bezug auf 3b beschrieben, und der CMP-Prozess,
um die vertiefte Oberfläche 360a zu
bilden, kann in einer Ausführungsform
in-situ in einer einzelnen CMP-Einheit 100 ausgeführt werden
oder, in anderen Ausführungsformen,
auf verschiedenen CMP-Einheiten, zum Beispiel, in dem CMP-System 200.
Vorzugsweise kann ein Prozess an einem festen Ort verwendet werden, wenn
nur die Andruckskraft und/oder die relative Geschwindigkeit verändert werden.
Verschiedene CMP-Einheiten werden verwendet, wenn die Polierkissen 102 in
beiden CMP-Prozessen verschiedene Eigenschaften benötigen.
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3d stellt
eine Damaszener-Struktur 300 nach einem Barrierenmaterial-Entfernungsprozess dar.
Obwohl weniger deutlich ausgeprägt,
ist die obere Oberfläche 360a des
Metallgebietes 356b noch immer deutlich vertieft und Teile
der Seitenwände 370a der Öffnung sind
freigelegt. Die Seitenwände 370a können durch
die Barrierenschicht 358a bedeckt sein. In einer Ausführungsform
ist die Oberfläche
um annähernd
2 bis 5 nm vertieft. Da der Barrierenentfernungsprozess nach dem
Vertiefen der Oberfläche 360a des
Metallgebiets 356b durchgeführt wird, kann das Einkerben
(Dishing), das bei gewöhnlichen
Barrierenentfernungsprozessen auftritt, vermieden oder zumindest
reduziert werden. Das Polieren der Barrierenschicht kann durch gut
bekannte Barrierenpolierprozesse durchgeführt werden, zum Beispiel, in-situ
auf der CMP-Einheit 100, die für den Prozess zum Bilden einer
Vertiefung verwendet wurde. In anderen Ausführungsformen kann der Barrierenpolierprozess
auf der CMP-Einheit 230 des CMP-Systems 200 durchgeführt werden,
nachdem das Substrat 307 von der Einheit 225 zu
der Einheit 230 befördert
wurde.
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Es
sollte erwähnt
werden, dass der CMP Barrierenentfernungsprozess das darrunterliegende Dielektrikum
gefährden
kann, insbesondere, wenn „weiche" Materialien mit
kleinem ε eingesetzt
werden. Um dieses Problem zu bewältigen,
kann üblicherweise
eine dünne
Schicht eines härteren
Materials, das die benötigte
Stabilität
aufweißt,
auf der dielektrischen Schicht 354 aufgebracht werden,
bevor die Öffnung
für das
Metallgebiet 356 gebildet wird.
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3e stellt
eine Damaszener-Struktur 300 dar, nachdem eine obere Barrierendeckschicht 362 aufgebracht
wurde.
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Die
Deckschicht 362 kann durch CVD oder andere geeignete Techniken
gebildet werden, wobei entsprechende Reinigungsprozesse vor dem
Bilden der Deckschicht 362 ausgeführt werden können, insbesondere,
wenn das metallenthaltende Gebiet 356b Kupfer oder Verbindungen
auf Kupferbasis aufweist, da die Oberfläche 360a stark mit
der Umgebung oder etwaigen reaktiven Komponenten, die noch auf der Oberfläche 360a nach
dem CMP-Vertiefungsprozess vorhanden sind, reagiert. Selbst während des CMP-Prozesses zum Bilden
der vertieften Oberfläche 360a,
kann die Metalloberfläche
mit reaktiven Inhaltsstoffen des CMP- und/oder des Ätzprozesses reagieren,
oder kann einfach durch Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre während des
CMP-Prozesses oxidieren. Insbesondere Kupfer neigt zur Ausbildung
von Verfärbungen
und Korrosion an der freigelegten Oberfläche 360a, weshalb
ein Reinigungsprozess zum Wesentlichen Entfernen ungewünschter verfärbter und/oder
oxidierter Bereiche erforderlich ist. Typischerweise wird der Abscheidprozess
zur Bildung der Deckschicht 362 mit einem vorhergehenden
Reinigungsprozess so kombiniert, dass die gereinigte Oberfläche 360a unmittelbar
von der Deckschicht 362 bedeckt wird, wodurch die Oberfläche 360a passiviert
und die erneute Bildung oxidierter Bereiche während der weiteren Herstellungsschritte reduziert
oder vermieden wird.
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Die
Deckschicht 362 kann ein geeignetes Material aufweisen,
das in erster Linie die Diffusion von dem Metall des Metallgebiets 356b in
angrenzende Bauteilbereiche effektiv unterdrückt, zum Beispiel in weitere
Metallisierungsschichten, die später noch
auf der Deckschicht 362 zu bilden sind. Des Weiteren kann
die Deckschicht 362 zusätzlich
als eine Ätzstoppschicht
in einem nachfolgenden Strukturierungsprozess fungieren, zum Bilden
von Kontaktdurchführungen,
die darrüberliegende
Metallisierungsschichten kontaktieren, die noch zu bilden sind. Die
Deckschicht 362 kann zwei oder mehr Teilschichten umfassen,
um die Vielzahl der Anforderungen zu erfüllen, in Hinsicht auf die Fähigkeit,
die Diffusion zu blockieren, und auf die Ätzselektivität, und dergleichen.
In einigen Ausführungsformen
kann die Deckschicht 362 im Wesentlichen Siliziumnitrid
umfassen, das einen ausgezeichneten Diffusionsverminderungseffekt
zeigt, in Hinsicht auf eine Vielzahl von Materialien, zu denen auch
Kupfer und auf Kupfer basierende Legierungen zählen. Des Weiteren sind Ätzrezepte,
die in Hinsicht auf Siliziumdioxid eine angemessene Selektivität zeigen,
gut bekannt und im Stand der Technik üblich, so dass Siliziumnitrid
oft in Kombination mit Siliziumdioxid zum Bilden einer Metallisierungsschicht
verwendet wird. In anderen Fällen,
wenn die Dielektriziätskonstante
des Dielektrikums, welches die einzelnen Metallleitungen und Metallgebiete
voneinander trennt, von Relevanz ist, können Materialien auf der Basis
von Siliziumkarbid zum Bilden der Deckschicht 362 benutzt
werden. In einigen Ausführungsformen,
kann die Bereitstellung von einer anderen Materialzusammensetzung
entlang der Tiefenrichtung der Deckschicht 362 als geeignet
betrachtet werden oder die Materialzusammensetzung kann variiert
werden, um andersartige Eigenschaften an einer Grenzschicht 364 mit
der Oberfläche 360a im
Vergleich zu der oberen Oberfläche
der Deckschicht 362 zu erhalten. Die Dicke der Deckschicht 362 kann
von den Eigenschaften abhängen,
das heißt,
von der Materialzusammensetzung und/oder von der Herstellungstechnik
der Deckschicht 362, und kann in einigen Ausführungsformen zwischen
ungefähr
10 nm und 70 nm liegen.
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Auf
Grund der tieferliegenden Oberfläche 360a,
ist die auf dem Metallgebiet 356b aufgebrachte Deckschicht 362 in
der dielektrischen Schicht 354 „eingebettet", so dass die mechanische
Stabilität
der Grenzschicht 364 zwischen dem Metallgebiet 356b und
der Deckschicht 362 im Vergleich zu konventioneller Aufbringung
auf nicht tieferliegenden Oberflächen
verbessert wird, während
gleichzeitig im Gegensatz zu einer geätzten Vertiefung, die Grenzschicht 364 zwischen
dem Metallgebiet 356b und der Deckschicht 362 weniger
rau ist, so dass die Elektromigrationseigenschaft an der Grenzschicht 364 verbessert
werden kann.
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Die 4a bis 4d stellen
nun weitere Ausführungsformen
gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Bilden einer Damnaszener-Struktur 400 dar,
wobei der Barrierenentfernungsprozess vor dem CMP-Prozess zum Bilden
der Vertiefung durchgeführt
wird.
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4a zeigt
eine Damnaszener-Struktur 400, die ein Substrat 407,
eine dielektrische Schicht 454, ein Metallgebiet 456a und
eine Barrierenschicht 458a umfasst, nach einem CMP-Prozess
zum Entfernen des Barrierenmaterials von einer Struktur, wie sie in 3b gezeigt
ist, ausgeführt
wird. Der CMP-Barrierenentfernungsprozess kann so durchgeführt werden,
wie es in dem Barrierenentfernungsprozess von 3d beschrieben
ist.
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4b stellt
die Damnaszener-Struktur 400 dar nachdem ein vertiefungsbildender
CMP-Prozess durchgeführt wurde.
Der entsprechende CMP-Prozess kann so wie in 3c beschrieben
ausgeführt werden.
Im Gegensatz dazu kann die Barrierenschicht nicht als eine CMP Stoppschicht
fungieren, so dass während
des Prozesses zum Bilden der Vertiefung auch dielektrisches Material
von der Schicht 454 entfernt werden kann. Folglich kann
die Dicke der abgeschiedenen dielektrischen Schicht 454, wenn
es erforderlich ist, dementsprechend vergrößert werden. Das gilt insbesondere
für Materialien
mit kleinem ε und
für jede
Deckschicht, die aufgebrachte wurde um die Schicht mit kleinem ε zu stabilisieren, wie
es in Bezug zu 3d beschrieben ist. Die freiliegenden
Ecken der Öffnung
der Struktur 400 können
mehr abgerundet werden als die entsprechenden Ecken der Struktur 300,
da die abgerundeten Ecken der Struktur 300 in dem anschließenden Barrierenentfernungsschritt
entfernt werden.
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4c stellt
die Damnaszener-Struktur 400 dar, nachdem eine Barrierendeckschicht 462 aufgebracht
wurde. In Anwendungen für
hochgetaktete Halbleiterbauelemente, zum Beispiel, in aktuellen
Mikroprozessoren, kann die Dielektrizitätskonstante der Barrierendeckschicht
unzulässig
die Gesamtdielektrizitätskonstante
des gebildeten Schichtstapels, der durch die dielektrischen Schicht 454 und
die Deckschicht 462 gebildet wird, erhöhen. Da die Deckschicht 462 auf
einer tieferliegenden Oberfläche 460a eines
Metallgebietes 456b aufgebracht wird, kann die Deckschicht 462 von
der dielektrischen Schicht 454 durch einen CMP-Prozess
entfernt werden, so dass die Gesamtdielektrizitätskonstante verkleinert wird,
während
eine zuverlässige
Barrieren- und Ätzstoppschicht 462a auf
dem Metallgebiet 456b noch erhalten bleibt, wie in 4d dargestellt.
Eine ähnliche
Damnaszener-Struktur kann erhalten werden, indem man die Struktur,
wie sie in 3e dargestellt ist, einem entsprechendem
CMP-Prozess unterwirft. Der CMP-Prozess ebnet die obere Oberfläche der
Struktur ein, damit die weitere Bearbeitungen des Substrats 407,
zum Beispiel, in einem nachfolgendem Fotolithografie-Prozess, erleichtert
wird. Da die Barrierendeckschicht 462a, nach dem Barrierenpolierprozess,
nur noch das Metallgebiet 456b bedeckt, kann die Barrierendeckschicht 462a ein
leitendes Material umfassen, wie etwa Ta und/oder TaN oder dergleichen.
Entsprechende CMP-Prozesse für Barrierenschichten,
zum Beispiel, zum Polieren von Siliziumnitrid oder Ta/TaN sind gut
bekannt. Ein weiterer Herstellungsprozess, der zu einer ähnlichen Damnaszener-Struktur
führt,
ohne den zusätzlichen CMP-Prozess
für Barrierenschichten,
wird im Folgendem in 5a und 5b dargestellt.
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5a zeigt
schematisch eine Damnaszener-Struktur 500, die durch das
Aufbringen einer Barrierendeckschicht 562 auf eine Struktur,
wie sie in 3c gezeigt ist, gebildet werden
kann. Ferner umfasst die Struktur 500 des Weiteren ein
Substrat 507, eine dielektrische Schicht 554,
eine Barrierenschicht 558 und ein Metallgebiet 556b.
Die Barrierendeckschicht 562 kann, wie zuvor schon dargelegt,
ein dielektrisches oder ein leitendes Material umfassen, das das
erforderliche Barrierenverhalten und die erforderliche Ätzselektivität aufweist,
wie zum Beispiel, SiN, SiC, Ta und/oder TaN. In einer speziellen
Ausführungsform
umfasst die Barrierendeckschicht 562 die gleichen Materialien
wie die Barrierenschicht 558, so dass sowohl die Barrierenschicht 558 und
die Schicht 562 in einem gemeinsamen CMP-Prozess leicht
entfernt werden können.
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5b zeigt
schematisch eine Damnaszener-Struktur 500 nach einem Barrierenentfernungs-CMP-Prozess,
der die Barrierenschichten 558a und 562a bildet,
die das Metallgebiet 556b einkapseln. Bei einer Kupferverbindungsleitung
können beide
Barrierenschichten 558a und 562a, zum Beispiel,
Ta und/oder TaN umfassen. Folglich kann die Barrierendeckschicht
auch zur Leitfähigkeit
der Verbindungsleitung beitragen. Wenn die Ätzselektivität einer
leitenden Barrierendeckschicht 562a ungenügend ist,
kann die Barrierendeckschicht 562a zumindest als eine Ätzindikatorschicht
dienen, um zuverlässig
einen Trockenätzprozess
zu steuern, wobei die Atmosphäre
in der Ätzkammer
analysiert wird um ein Ätzstoppsignal
zu erzeugen, wenn die Konzentration des Barrierenmaterials wesentlich
erhöht
ist.
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Als
Ergebnis bietet die vorliegende Erfindung eine Technik, die das
Bilden einer tieferliegenden oberen Oberfläche einer Verbindungsleitung
ermöglicht,
um eine eingebettete Barrierendeckschicht auf der Verbindungsleitung
zu bilden, um verbesserte Eigenschaften in Bezug auf Elektromigration,
elektrische Leitfähigkeit,
Zuverlässigkeit
und Funktion der Halbleiterbauelemente zu erhalten. Die tieferliegende
obere Oberfläche
der Verbindungsleitung wird durch einen entsprechend angepassten
CMP-Prozess gebildet, der es erlaubt das Metall eines oberen Teils
der Verbindungsleitung zu entfernen, während die benachbarten höherliegenden
Barrierenschichtgebiete im Wesentlichen nicht beeinflusst werden.
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Weitere
Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden
für den
Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese
Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann
die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung
zu vermitteln. Selbstverständlich
sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung
als die gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
zu betrachten.