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GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Herstellung von Mikrostrukturen, etwa von integrierten Schaltungen, und betrifft insbesondere das Herstellen von Metallschichten über einem Dielektrikum, das Gräben und Durchführungen aufweisen kann, mittels eines Abscheideprozesses, der einen stromlosen Plattierungsprozess enthält.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
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In einer Mikrostruktur, etwa einer integrierten Schaltung, müssen eine große Anzahl von Strukturelementen, etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen in oder auf einem geeigneten Substrat hergestellt werden. In vielen Fällen beinhalten die Mikrostrukturen komplexe Schaltungen, in denen auf Grund der großen Anzahl von Strukturelementen und der komplexen Anordnung der Schaltung die elektrischen Verbindungen der einzelnen Schaltungselemente nicht in der gleichen Ebene hergestellt werden kann, auf der die Schaltungselemente hergestellt sind, sondern es sind eine oder mehrere zusätzliche „Verdrahtungs”-Schichten erforderlich, die auch als Metallisierungsschichten bezeichnet werden. Diese Metallisierungsschichten enthalten im Allgemeinen Metallleitungen, die die elektrische Verbindung innerhalb der Ebene herstellen, und enthalten ferner mehrere Zwischenebenenverbindungen, die auch als Durchführungen bzw. Kontaktdurchführungen bezeichnet werden, wobei die Metallleitungen und die Durchführungen gemeinsam auch als Verbindungen bezeichnet werden.
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Auf Grund der ständigen Verringerung der Strukturgrößen von Schaltungselementen in modernen integrierten Schaltungen steigt auch die Anzahl der Schaltungselemente für eine vorgegebene Chipfläche, d. h. die Packungsdichte, an, wodurch typischerweise ein noch größerer Anstieg der Anzahl elektrischer Verbindungen erforderlich ist, um die gewünschte Schaltungsfunktionalität zu gewährleisten. Daher kann die Anzahl der gestapelten Metallisierungsschichten mit zunehmender Anzahl an Schaltungselementen pro Chipfläche größer werden und/oder die entsprechenden Verbindungsstrukturen müssen ebenso in der Größe reduziert werden. Da die Herstellung mehrerer Metallisierungsschichten äußerst herausfordernde Probleme aufwirft, die es zu lösen gilt, etwa die mechanische, thermische und elektrische Zuverlässigkeit in Verbindung mit einem effizienten Abscheideverfahren, um einen hohen Durchsatz zu erzielen, wird für anspruchsvolle Anwendungen, etwa Mikroprozessoren, das gut bekannte Metallisierungsmetall Aluminium von den Halbleiterherstellern durch ein Metall ersetzt, das höhere Stromdichten ermöglicht und damit eine Verringerung der Abmessungen der Verbindungen erlaubt. Beispielsweise werden Kupfer und Legierungen davon im Allgemeinen als geeignete Kandidaten zum Ersatz für Aluminium betrachtet auf Grund der besseren Eigenschaften im Hinblick auf eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Elektromigration und im Hinblick auf einen deutlich geringeren elektrischen Widerstand im Vergleich zu Aluminium. Trotz dieser Vorteile zeigt Kupfer auch eine Reihe von Nachteilen hinsichtlich der Bearbeitung und der Handhabung von Kupfer in einer Halbleiterfabrik. Beispielsweise kann Kupfer nicht effizient in größeren Mengen auf ein Substrat durch gut etablierte Abscheideverfahren, etwa chemische Dampfabscheidung (CVD) und physikalische Dampfabscheidung (PVD) aufgebracht werden, und dieses kann auch nicht in effizienter Weise durch typischerweise verwendete anisotrope Ätzprozeduren strukturiert werden, auf Grund der Eigenschaft des Kupfers, nicht lösliche Reaktionsprodukte zu bilden. Bei der Herstellung von Metallisierungsschichten mit Kupfer wird daher die sogenannte Damaszener-Technik vorzugsweise angewendet, wobei zunächst eine dielektrische Schicht aufgebracht und anschließend strukturiert wird, um Gräben und Durchführungen zu definieren, die nachfolgend mit Kupfer gefüllt werden.
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Ein weiterer wesentlicher Nachteil von Kupfer ist seine Fähigkeit, in Siliziumdioxid und anderen dielektrischen Materialien zu diffundieren. Es ist daher notwendig, ein sogenanntes Barrierenmaterial in Verbindung mit einer Metallisierung auf Kupferbasis zu verwenden, um im Wesentlichen ein Herausdiffundieren von Kupfer in das umgebende dielektrische Material zu vermeiden, da Kupfer dann in sensible Halbleiterbereiche wandern kann, wodurch deren Eigenschaften deutlich geändert werden. Da die Abmessungen der Gräben und Durchführungen gegenwärtig auf eine Breite oder einen Durchmesser von ungefähr 0,1 μm und sogar weniger mit einem Aspektverhältnis der Durchführungen von ungefähr 5 oder mehr zugehen, ist das Abscheiden einer Barrierenschicht in zuverlässiger Weise auf allen Oberflächen der Durchführungen und der Gräben und deren nachfolgendes Auffüllen mit Kupfer ohne wesentliche Hohlräume eine der anspruchsvollsten Aufgaben bei der Herstellung moderner integrierter Schaltungen.
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Gegenwärtig wird die Herstellung einer Metallisierungsschicht auf Kupferbasis ausgeführt, indem eine geeignete dielektrische Schicht strukturiert und die Barrierenschicht, die beispielsweise aus Tantal (Ta) und/oder Tantalnitrid (TaN) aufgebaut ist, durch moderne PVD-Techniken, etwa Sputter-Abscheidung, aufgebracht wird. Danach wird das Kupfer in die Durchführungen und die Gräben eingefüllt, wobei sich das Elektroplattieren als eine geeignete Prozesstechnik erwiesen hat, da diese in der Lage ist, die Durchführungen und Gräben mit hoher Abscheiderate im Vergleich zu CVD- und PVD-Raten in einer sogenannten „von unten nach oben”-Sequenz zu füllen, in der die Öffnungen beginnend an der Unterseite in einer im Wesentlichen hohlraumfreien Weise aufgefüllt werden. Während des elektrochemischen Plattierens eines Metalls auf eine Oberfläche wird ein externes elektrisches Feld zwischen der zu beschichtenden Oberfläche und der Plattierungslösung erzeugt. Da Substrate für die Halbleiterherstellung lediglich an sehr eingeschränkten Bereichen kontaktiert werden können, typischerweise am Rand des Substrats, muss eine leitende Schicht vorgesehen werden, die das Substrat und die Oberflächen, die ein Metall erhalten sollen, bedeckt. Obwohl die Barrierenschicht, die zuvor über dem strukturierten Dielektrikum abgeschieden wurde, als eine Stromverteilungsschicht dienen kann, zeigt es sich, dass hinsichtlich der kristallinen Struktur, der Gleichförmigkeit und der Hafteigenschaften gegenwärtig eine sogenannte Saatschicht vorzugsweise im nachfolgenden Elektroplattierungsprozess verwendet wird, um kupfergefüllte Gräben und Durchführungen mit den erforderlichen elektrischen und mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Die Saatschicht wird typischerweise durch Sputter-Abscheidung aufgebracht, wobei im Wesentlichen die gleichen Prozessanlagen eingesetzt werden, wie sie auch für das Abscheiden der Barrierenschicht verwendet werden.
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Für Durchführungen mit kritischen Abmessungen von 0,1 μm und weniger in künftigen Bauteilgenerationen kann die Sputter-Abscheidung äußerst dünner Metallschichten mit einem hohen Maß an Formanpassung, wie es für die Barrierenschicht und die Saatschicht erforderlich ist, ein begrenzender Faktor werden, da die Bedeckungseigenschaften der zuvor beschriebenen fortschrittlichen Sputter-Anlagen nicht mehr weiter verbessert werden können, ohne deutliche Modifizierungen in dieser Anlage zu erfordern, was ggf. schwierig sein kann. Insbesondere die Abscheidung der Saatschicht kann nicht in einer naheliegenden Weise durch PVD ausgeführt werden, da hier die Gleichförmigkeit der Saatschicht – im Gegensatz zur Barrierenschicht, die „lediglich” eine ausreichende und vollständige Abdeckung der inneren Oberflächen der Öffnungen erfordert – zu einem gewissen Grade die Gleichförmigkeit des nachfolgenden Elektroplattierungsprozesses bestimmt. Ferner können PVD-Techniken, die äußerst dünne Schichten geeigneter Barrierenschichten erzeugen, zu einem erhöhten elektrischen Widerstand führen, wenn diese bei der Herstellung von Saatschichten angewendet werden, wodurch sich eine anfängliche Abscheiderate des nachfolgenden Elektroplattierungsprozesses verringert.
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Als Folge davon wurden alternative Abscheidetechniken für äußerst anspruchsvolle Anwendungen für die Barrierenabscheidung, die Saatabscheidung, die Metalldeckschichtabscheidung auf Leitungen auf Kupferbasis und für die Metallgateabscheidung vorgeschlagen. Die stromlose Abscheidung von Metallen und Legierungen, wie sie aus der Leiterplattenindustrie bekannt ist, repräsentiert einen vielversprechenden Ansatz als eine Alternative oder eine Erweiterung gut etablierter Elektroplattierungsstrategien. Der Vorgang des stromlosen Abscheidens erfordert eine Plattierungslösung bzw. eine Metallplattierungslösung bzw. eine Metallisierungslösung mit einem Reduziermittel, einem Metallträger und ein komplex bildendes Mittel, wobei – zusätzlich zu der Steuerung der Badzusammensetzung – auch der pH-Wert und die Temperatur mit hoher Genauigkeit einzustellen sind, da das aktive in Gang setzen einer chemischen Reaktion der Plattierungslösungsmittel mittels eines Katalysators, der in dem darunter liegenden Material enthalten ist oder vor dem eigentlichen Abscheideprozess aufgebracht wird, äußerst sensitiv auf die Prozesstemperatur reagiert.
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Typischerweise kann die Betriebstemperatur der stromlosen Metallisierungslösung in einem Bereich von ungefähr 50 bis 90°C liegen, was bedeutet, dass die stromlose Metallisierungslösung sehr nahe an der Autokatalyse-Temperatur für eine spontane Selbstzersetzung der stromlosen Metallisierungslösung liegt. Das Auftreten eines selbst in Gang gesetzten Zerfalls der stromlosen Metallisierungslösung führt jedoch zu einer Metallabscheidung nicht nur auf gewünschten Bereichen, d. h. der zu beschichtenden Substratoberfläche, sondern auch auf Oberflächen der Plattierungsanlage, etwa der Reaktorzelle, dem Metallisierungslösungstank, den Zufuhrleitungen und dergleichen. In ausgeprägten Fällen von selbst initiiertem Zerfall wird im Wesentlichen der gesamte Metallinhalt der Metallisierungslösung rasch zu reinem Metall reduziert, wodurch möglicherweise eine Verstopfung aller Leitungen und Röhren und des chemischen Reaktors verursacht wird. Als Folge davon ist großer Aufwand erforderlich, um die Plattierungsanlage mit Salpetersäure zu reinigen, wobei gleichzeitig die gesamten teueren Plattierungschemikalien verloren gehen. Zudem muss der sich ergebende toxische Abfall entsorgt werden, wodurch ferner deutlich zu den Betriebskosten des stromlosen Metallplattierungsprozesses beigetragen wird.
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Die
DD 157 989 B beschreibt ein Verfahren zur strukturierten chemisch-reduktiven Metallabscheidung, wobei die erforderliche Arbeitstemperatur mit Hilfe eines geeigneten Lasers erzeugt wird, der verwendet wird, um die Oberfläche des Substrats lokal zu erhitzen.
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Die
DD 249 495 A1 befasst sich mit der chemisch-reduktiven Abscheidung von Nickelschichten im Maschinen- und Apparatebau zum Zwecke des Verschleißschutzes und der Erhöhung der Korrosionsfestigkeit. Die
DD 249 495 A1 offenbart die Erzeugung von Hitze durch ein magnetisches Wechselfeld, das die Notwendigkeit von metallischen Werkstücken voraussetzt.
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Die
DE 102 45 928 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur strukturierten, selektiven Metallisierung einer Oberfläche eines Substrats. Die Strukturierung erfolgt durch die selektive Abscheidung von leitenden Strukturen, wobei die erforderliche Abscheidetemperatur nur lokal auf der Substratoberfläche erreicht wird. Die beschriebenen thermischen Verfahren können bei groben Strukturen eingesetzt werden.
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Die
DE 100 15 213 C1 beschreibt die Abscheidung von Kupfer in Gräben und/oder Durchkontaktierungen von dielektrischen Schichten durch Eintauchen in ein chemisches Kupferbad.
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Angesichts der zuvor beschriebenen Situation ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Technik bereitzustellen, die es ermöglicht, zumindest einige der Probleme in dem stromlosen Plattieren von Metall, wie es zuvor beschrieben ist, zu vermeiden oder zumindest die Auswirkungen davon zu reduzieren.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Im Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an eine Technik, die die Wahrscheinlichkeit einer selbst initiierten Zersetzung einer Metallisierungslösung für das stromlose Metall Aufbringen reduziert, während gleichzeitig die Effizienz des stromlosen Plattierungsprozesses erhöht werden kann. Zu diesem Zwecke wird die zu beschichtende Substratoberfläche erwärmt, wobei in anschaulichen Ausführungsformen die stromlose Metallisierungslösung auf einer im Hinblick auf die selbst initiierte spontane Zersetzung unkritischen Temperatur gehalten wird, wodurch ein äußerst effizienter Plattierungsprozess erreicht wird, da die Betriebstemperatur für den Plattierungsprozess im Wesentlichen in jenen Gebieten erreicht wird, an denen eine Metallabscheidung gewünscht ist, wobei die spontane Abscheidung von Metall in der Plattierungsanlage deutlich reduziert werden kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird insbesondere durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 14 gelöst.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Ausführungsformen der folgenden 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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1a schematisch ein System für die stromlose Metallplattierung, in welchem eine Substratoberfläche zumindest auf eine Betriebstemperatur der Metallisierungslösung gemäß anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erwärmt wird;
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1b schematisch Querschnittsansichten eines Substrats und einer Substratoberfläche mit spezifizierten Topographien zur Aufnahme eines Metalls;
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1c schematisch Querschnittsansichten der Substratoberflächen aus 1b nach der Metallabscheidung durch stromloses Plattieren gemäß anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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1d schematisch eine Prozesskammer, in der das Substrat mit der stromlosen Metallisierungslösung in Kontakt gebracht wird, wobei die Substrattemperatur auf Betriebstemperatur ist, während die Badtemperatur kleiner als die Betriebstemperatur ist, gemäß einer anschaulichen Ausführungsform; und
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1e und 1f schematisch Teile einer Heizeinheit zum Anheben der Temperatur des Substrats vor dem in Kontakt bringen des Substrats mit der stromlosen Metallisierungslösung gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung eine Technik für das stromlose Metallplattieren bereit, in der zumindest die zu beschichtende Substratoberfläche bis mindestens zu der Betriebstemperatur für eine stromlose Plattierung erwärmt wird, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, den Großteil der Metallisierungslösung bei einer nicht kritischen Temperatur im Hinblick auf den Punkt der selbst initiierten spontanen Selbstzersetzung der Metallisierungslösung zu halten. Somit wird durch das Erwärmen des Substrats anstelle der Metallisierungslösung bis zu der Betriebstemperatur das Aufzuheizen und damit die Betriebstemperatur für die Metallisierungslösung in einer äußerst lokalisierten Weise erzeugt, wodurch die Abscheiderate der Metallisierungslösung an nicht gewünschten Stellen, etwa an Prozesskammerwänden, Zufuhrleitungen, Vorratstankoberflächen und dergleichen deutlich reduziert wird. Daher wird die Wartung der Plattierungsanlage deutlich vereinfacht, wodurch sich die Betriebskosten für das stromlose Plattieren reduzieren. Ferner kann die Möglichkeit des Haltens der stromlosen Metallisierungslösung auf einer im Wesentlichen unkritischen Temperatur deutlich die Lebensdauer des Plattierungsbades verlängern, wobei gleichzeitig die Anforderungen für das Filtern und das Umwälzen der Lösung reduziert werden, da die Wahrscheinlichkeit einer Selbstzersetzung während des Durchlaufens einer Filtereinrichtung und einer Rezirkulationsanlage deutlich verringert werden. Somit wird die Gesamtprozesssteuerung für das stromlose Plattieren vereinfacht und somit können Prozesssteuerressourcen, die konventioneller Weise zum Reduzieren der spontanen Selbstzersetzung eingesetzt werden, für Verfahren für eine verbesserte Prozesssteuerung im Hinblick auf die Prozessgleichförmigkeit, die Defektrate und dergleichen eingesetzt werden.
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Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
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1a zeigt schematisch ein Plattierungssystem 100 zum Abscheiden eines Metalls auf einer Substratoberfläche 102 eines Substrats 101 gemäß anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Das System 100 umfasst einen Vorratstank 120 mit einer Metallisierungslösung 121, die wiederum einen Metallträger, ein Reduziermittel und ein komplexbildendes Mittel aufweisen kann. Die Metallisierungslösung 121 kann gewisse Anteile anderer Additive aufweisen, die für den betrachteten Prozess erforderlich sein können. Beispielsweise kann die Metallisierungslösung 121 eine Lösung auf der Basis von Kupfer, EDTA, NaOH und HCHO repräsentieren, oder es kann Kupfer, KNa-Tartrat, NAOH, HCHO verwendet werden, wenn eine Kupferschicht auf der Subratratoberfläche 102 abzuscheiden ist. Zum Abscheiden anderer Metalle oder Metalllegierungen können entsprechende geeignete Metallisierungslösungen 121 verwendet werden, wie sie aus konventionellen Prozessen bekannt sind, oder wie sie mit Prozesserfordernissen entwickelt werden. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Metallisierungslösung 121 geeignet, um eine Barrierenschicht und/oder eine Saatschicht und/oder eine Deckschicht für zuvor abgeschiedene Metallgebiete und/oder Metallgates zu bilden, wie dies detaillierter nachfolgend mit Bezug zu den 1b und 1c erläutert ist.
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Der Vorratstank 120 ist ferner ausgebildet, die Metallisierungslösung 121 darin unter vorbestimmten Bedingungen hinsichtlich des pH-Werts, der Temperatur, der Materialzusammensetzung, kontaminierender Teilchen, Gasbläschen, und dergleichen aufzunehmen und zu halten. Daher kann der Vorratstank 120 mit einer Vorratstanksteuerungseinheit 122 verbunden sein, die ausgebildet ist, zumindest einige der oben genannten Parameter zu steuern und insbesondere die Temperatur der Metallisierungslösung 121 auf einer spezifizierten Temperatur zu halten, die kleiner als eine Betriebstemperatur ist, die für das zuverlässige und reproduzierbare Abscheiden von Metall auf der Substratoberfläche 102 erforderlich ist. Der Einfachheit halber sind entsprechende Mittel zum Gewinnen von Messwerten hinsichtlich der zu steuernden Parameter sowie Mittel zum Bearbeiten der Metallisierungslösung 121, um damit einen gewünschten Zustand zu erreichen, etwa Heizsegmente, Zufuhrleitungen für die diversen Badbestandteile, Rezirkulationseinrichtungen, Filtereinrichtungen und dergleichen (nicht gezeigt), da derartige Einrichtungen dem Fachmann vertraut sind. Der Vorratstank 120 ist ferner funktionsmäßig mit einem Zufuhrsystem 160 verbunden, das wiederum funktionsmäßig mit einer Prozesskammer 140 gekoppelt ist. Das Zufuhrsystem 160 ist ausgebildet, zumindest einen Teil der Metallisierungslösung 121 mit der Substratoberfläche 102 in Kontakt zu bringen, wobei das Zufuhrsystem 160 einen beliebigen Mechanismus repräsentieren soll, um Metallisierungslösung 121 auf die Substratoberfläche 102 innerhalb der Prozesskammer 140 aufzubringen. Beispielsweise kann das Zufuhrsystem 160 geeignete Transporteinrichtungen aufweisen, um das Substrat 101 aufzunehmen und die Substratoberfläche 102 mit der Flüssigkeitsoberfläche der Lösung 121 innerhalb der Prozesskammer 140 in einem badartigen Plattierungsreaktor in Kontakt zu bringen. In einem Plattierungsreaktor des Brunnentyps kann das Zufuhrsystem 160 die Antriebsanordnung zum in Kontakt bringen mit der Flüssigkeit der Metallisierungslösung und zur Erzeugung eines erforderlichen Elektrolytstromes innerhalb der Prozesskammer 140 repräsentieren. In anderen Fällen kann das Zufuhrsystem 160 eine Zufuhrleitung und einen geeigneten Applikatormechanismus repräsentieren, um die Metallisierungslösung von dem Vorratstank 120 in die Prozesskammer 140 und auf die Substratoberfläche 102 zu transportieren, wie dies typischerweise in brunnenartigen Plattierungsreaktoren der Fall ist, wenn lediglich eine gut definierte Menge an Metallisierungslösung der Prozesskammer 140 zugeführt wird, um damit äußerst stabile Abscheidebedingungen zu schaffen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass eine beliebige andere Plattierungsreaktorart in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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Das System 100 umfasst ferner eine Heizeinheit 180, die ausgebildet ist, das Substrat 101 aufzunehmen und dessen Temperatur oder zumindest die Oberflächentemperatur der Substratoberfläche 102 bis zu einer spezifizierten Betriebstemperatur anzuheben, die für das in Gang setzen des Zersetzens der Metallisierungslösung 121 und damit für das Abscheiden von Metall auf der Substratoberfläche 102 erforderlich ist. Die Betriebstemperatur kann zwischen ungefähr 50 und 100°C für die Kupferabscheidung festgelegt werden, kann jedoch in beliebiger geeigneter Weise ausgewählt werden, wenn andere Materialien abzuscheiden sind. Ferner beeinflusst die Betriebstemperatur – obwohl diverse Temperaturen für ein betrachtetes Material ausgewählt werden können – deutlich die Abscheiderate und das Abscheideergebnis und daher repräsentiert die Betriebstemperatur für ein vorgegebenes Prozessrezept einen gut definierten Prozessparameter, dessen Wert innerhalb eines vordefinierten Prozessfenster konstant zu halten ist. Die Heizeinheit 180 ist funktionsmäßig mit dem Zufuhrsystem 160 und damit mit der Prozesskammer 140 verbunden. Es sollte beachtet werden, dass die Heizeinheit 180 in einer beliebigen geeigneten Weise ausgebildet sein kann, solange diese die Substratoberfläche 102 vor dem Zuführen des Substrats 101 zu der Prozesskammer 140 und in weiteren Ausführungsformen zusätzlich während des Zuführens des Substrats 101 zu der Prozesskammer 140 und nach dem das Substrat 101 der Prozesskammer 140 zugeführt ist, erhöhen kann. D. h., die Heizeinheit 180 kann eine oder mehrere geeignete Heizeinrichtungen, etwa Strahlungsheizeinheiten und/oder erwärmte Substrathalterungen und/oder wärmende Fluide aufweisen, wie dies nachfolgend mit Bezug zu den 1e bis 1f detaillierter beschrieben ist. In einer anschaulichen Ausführungsform umfasst die Heizeinheit 180 eine Temperatursteuerung 181, die ausgebildet ist, zumindest eine gemessene Temperatur der Substratoberfläche 102 zu erkennen oder eine andere damit in Beziehung stehende Substrattemperatur und ein Signal zu erzeugen, das für die Oberflächentemperatur kennzeichnend ist. Beispielsweise kann die Temperatursteuerung 181 ein Infrarotmesssystem aufweisen, um damit die Oberflächentemperatur in kontaktloser Weise zu bestimmen. In anderen Ausführungsformen kann ein beliebiges anders geeignetes Temperaturmesssystem integriert werden, das die aktuelle Temperatur durch direkten Kontakt mit dem Substrat 101 und/oder mit einem Fluid, das mit dem Substrat 101 in Kontakt ist, bestimmt. In weiteren anschaulichen Ausführungsformen ist die Temperatursteuerung 181 ferner so ausgebildet, um den Betrieb der Heizeinheit 180, d. h. zumindest die Funktion von Heizelementen der Heizeinheit 180, auf der Grundlage des Signals zu steuern, das von der Temperatursteuerung 181 bereitgestellt wird. In dieser Ausführungsform kann eine gewisse Temperatur im Voraus festgelegt werden, die bei oder über der gewünschten Betriebstemperatur für das betrachtete Plattierungsprozessrezept liegt und die Temperatursteuerung 181 kann eine Kontrollaktivität auf der Grundlage des Sollwertes und der aktuellen Temperatur ausführen, um damit eine Differenz zwischen diesen beiden Werten zu minimieren. Für diesen Zweck können gut bekannte Steuerungsschemata, etwa PID-Steuerungsstrategien (proportional, integral, differenzial) oder andere Algorithmen verwendet werden.
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Während des Betriebs des Systems 100 wird das Substrat 101, das einen Träger für Mikrostrukturen, etwa integrierte Schaltungen, und dergleichen repräsentieren kann, bereitgestellt, wobei die Substratoberfläche 102, auf der ein spezifiziertes Metall abzuscheiden ist, eine spezielle Topographie, abhängig von der Art des Substrats, aufweisen kann. Obwohl das System 100 auch in äußerst effizienter Weise zum Abscheiden eines Metalls oder einer Metalllegierung auf die Substratoberfläche 102 eingesetzt werden kann, wenn diese eine im Wesentlichen ebene Oberfläche repräsentiert, so kann das System 100 auch in sehr vorteilhafter Weise zum Abscheiden eines spezifizierten Metalls auf die Substratoberfläche 102 eingesetzt werden, wenn diese mehrere Strukturelemente, Gräben, Durchführungen und dergleichen aufweist. Hierbei kann die Abscheidung eines Metalls oder einer Metalllegierung in äußerst lokalisierter Weise abhängig von der speziellen Prozessstrategie ausgeführt werden.
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1b zeigt schematisch Querschnittsansichten des Substrats 101, wobei die Substratoberfläche 102 eine spezielle Topographie aufweist, die gewisse Strukturelemente repräsentiert, etwa Schaltungselemente von integrierten Schaltungen. In 1b umfasst ein erster Bereich 101a des Substrats 101 in der entsprechenden Substratoberfläche 102 einen Graben 104 und eine Durchführung 103, deren Seitenwände und Unterseitenbereiche mit einem Metall, beispielsweise mit Kupfer oder einer Kupferlegierung, zu beschichten sind. In einigen Ausführungsformen können die entsprechenden Seitenwände und Unterseitenbereiche des Grabens 104 und der Durchführung 103 bereits mit einer Barrierenschicht 105 bedeckt sein, die in einigen Fällen ein Katalysatormaterial zum in Gang setzen des nachfolgenden stromlosen Plattierungsprozesses enthalten kann. Die Barrierenschicht 105 kann durch geeignete Abscheidetechniken, etwa Sputter-Abscheidung, chemische Dampfabscheidung (CVD) oder Atomlagenabscheidung (ALD) gebildet sein, wohingegen in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Barrierenschicht 105 selbst durch eine stromlose Abscheidung mittels des Systems 100 gebildet sein kann, wobei der Vorratstank 120 eine geeignete Metallisierungslösung 121 aufweist, um die gewünschte Materialzusammensetzung der Barrierenschicht 105 zu gewährleisten. In einigen Ausführungsformen können der Graben 104 und die Durchführung 103 einen Teil einer Metallisierungsschicht einer modernen integrierten Schaltung repräsentieren, die äußerst leitfähige Metallleitungen und metallgefüllte Durchführungen, beispielsweise auf der Grundlage von Kupfer und Kupferlegierungen, erfordert, wobei laterale Abmessungen beispielsweise der Durchführung 103 100 nm und sogar weniger in äußerst anspruchsvollen Anwendungen betragen können.
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1b zeigt ferner einen weiteren Bereich 101b des Substrats 101, wobei die Substratoberfläche 102 ein Metallgebiet 106 aufweist, das Kupfer oder eine Kupferlegierung enthalten kann und das eine leitende Deckschicht innerhalb einer Vertiefung 107 erhalten soll. Beispielsweise ist in äußerst anspruchsvollen Anwendungen auf der Grundlage von Metallleitungen, die Kupfer und Kupferlegierungen aufweisen, typischerweise eine Barrierenschicht erforderlich, um die Diffusion von Kupfer in umgebende Bauteilbereiche zu verhindern oder zumindest zu reduzieren. Auf Grund der beschränkten Querschnittsfläche, die zur Herstellung des Metallgebiets 106 unter Umständen nur verfügbar ist, kann das Vorsehen einer nicht leitenden dielektrischen Barrierenschicht insbesondere innerhalb der Vertiefung 107 die Gesamtleitfähigkeit des Metallgebiets 106 unnötig beeinträchtigen. Daher kann ein geeignetes Deckmetall durch stromloses Plattieren unter Verwendung des Systems 100 aufgebracht werden.
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1b zeigt ferner einen Bereich 101c des Substrats 101, wobei die Substratoberfläche 102 eine Transistorstruktur 108 aufweist, die ein Metallgate in einer entsprechenden Öffnung 109 erhalten soll. Beispielsweise sind in einigen anspruchsvollen Anwendungen mit Transistorabmessungen in der Transistorlängenrichtung, d. h. in 1b im Wesentlichen die horizontale Erstreckung der Öffnung 109, in der Größenordnung von 50 nm oder sogar weniger äußerst leitfähige Gateelektroden erforderlich, die nach dem Entfernen eines Platzhaltergates gebildet werden. Somit können äußerst effiziente und steuerbare stromlose Plattierungstechniken unter Anwendung des Systems 100 eine vielversprechende Prozesstechnik bereitstellen, um Metallgates zu bilden, wobei das entsprechende Metallgate nicht notwendigerweise vollständig durch stromloses Plattieren hergestellt werden muss.
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Es sei wiederum auf 1a verwiesen; das Substrat 101 wird von der Heizeinheit 180 aufgenommen, die die Temperatur der Substratoberfläche 102 bis zu der Betriebstemperatur für den nachfolgenden eigentlichen Abscheideprozess anhebt mittels einer Einrichtung, wie sie zuvor beschrieben ist, oder wie sie mit Bezug zu den 1d bis 1f beschrieben wird. In typischen stromlosen Plattierungsprozessen auf Kupferbasis kann die Betriebstemperatur in einem Bereich von ungefähr 40 bis 100°C und in anderen Ausführungsformen ungefähr von 50 bis 90°C liegen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass abhängig von den Gegebenheiten der Metallisierungslösung 121, einem in der Substratoberfläche 102 enthaltenen Katalysatormaterial, und dergleichen, andere Temperaturbereiche geeignet sein können. Wie zuvor erläutert ist, kann in einigen Ausführungsformen die aktuelle Oberflächentemperatur durch die Temperatursteuerung 181 überwacht und mit einem Sollwert verglichen werden, wobei der Sollwert die Betriebstemperatur des betrachteten Rezepts oder eine höhere Temperatur repräsentieren kann, um damit eine eventuelle Temperaturverringerung auf Grund der weiteren Bearbeitung des Substrats 101 zu berücksichtigen, wenn die Heizeinheit 180 ausgebildet ist, das Substrat 101 lediglich vor dem eigentlichen Abscheideprozess zu erwärmen, d. h. vor dem in Kontakt bringen der Metallisierungslösung 121 mit der Substratoberfläche 102 innerhalb der Prozesskammer 140. Die Heizeinheit 180 oder ein Teil davon ist in einer Vorbehandlungsanlage zum Vorbehandeln des Substrats 101 vor dem eigentlichen Abscheideprozess enthalten. Dadurch kann ein gewisses Maß an Kühlung während des Transports des Substrats 101 stattfinden, bevor die Oberfläche 102 mit der Metallisierungslösung 121 in Kontakt kommt. In anderen Ausführungsformen kann die Heizeinheit 180 so gestaltet sein, um die Substratoberfläche 102 zusätzlich zu erwärmen, während diese mit der Metallisierungslösung 121 in Kontakt ist. Beispielsweise kann eine Substrathalterung (nicht gezeigt) in der Prozesskammer 140 einen Teil des Zufuhrsystems 160 repräsentieren und kann so ausgebildet sein, um eine Trägerfläche bereitzustellen, die mit dem Substrat in Kontakt ist und die steuerbar erwärmt werden kann.
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Nach dem Erwärmen des Substrats 101 durch die Heizeinheit 180 wird das Substrat 101 in der Prozesskammer 140 so positioniert, um für den Kontakt mit der Metallisierungslösung 121 vorbereitet zu sein. In 1a ist die erwärmte Substratoberfläche 102 als eine schraffierte Oberfläche dargestellt, um damit anzudeuten, dass die Oberflächentemperatur zumindest bei der Betriebstemperatur oder höher liegt. Ferner kann in Abhängigkeit von der strukturellen Ausbildung des Systems 100 und insbesondere der Prozesskammer 140, des Zufuhrsystems 160 und der Heizeinheit 180 das Positionieren des Substrats 101 beliebige Substrathantierungs- und Transportaktivitäten beinhalten, die notwendig sind, um die Substratobertläche 102 mit der Metallisierungslösung 121 in Kontakt zu bringen. Zu diesem Zwecke kann das Zufuhrsystem 160 so ausgebildet sein, um den eigentlichen Kontakt zwischen der Metallisierungslösung 121 und der Substratobertläche 102 in Gang zu setzen, indem das Substrat 101 bewegt wird und/oder indem ein Teil der Metallisierungslösung 121 auf die Oberfläche 102 aufgebracht wird. Sobald das Substrat 101 in der Prozesskammer 140 so positioniert ist, dass dieses mit der Metallisierungslösung 121 in Kontakt kommt mittels einer entsprechenden Aktion des Zufuhrsystems 160, wird der Kontakt initiiert, wobei die Metallisierungslösung 121, die der Oberfläche 102 zugeführt wird, bei einer Temperatur unterhalb der angestrebten Betriebstemperatur liegt und dann durch die von der erwärmten Oberfläche 102 auf jenen Bereich der Metallisierungslösung 121 übertragenen Wärme aktiviert wird, der mit der Oberfläche 102 in Kontakt ist. Folglich tritt eine wesentliche Abscheidung nur an Bereichen auf, in denen die Metallisierungslösung 121 auf die Betriebstemperatur oder darüber aufgeheizt wird, wodurch der tatsächliche Abscheidebereich im Wesentlichen auf die erwärmte Substratoberfläche 102 beschränkt wird.
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Wie zuvor erläutert ist, kann in einigen Ausführungsformen die Heizeinheit 180 so ausgebildet sein, dass die Betriebstemperatur der Substratobertläche 102 gehalten wird, während diese mit der Metallisierungslösung 121 in Kontakt ist. In anderen Ausführungsformen kann jedoch das Erwärmen des Substrats 101 beim Kontakt mit der Metallisierungslösung 121 beendet werden, was zu einem gewissen Maß an Abkühlung führen kann. In diesen Ausführungsformen kann die anfängliche Temperatur der Substratoberfläche 102 nach dem Verlassen der Heizeinheit 180 so eingestellt werden, dass diese ausreichend weit über der gewünschten minimalen Betriebstemperatur liegt, so dass selbst während des gesamten Abscheideprozesses eine effiziente chemische Reaktion stattfindet, um damit die Gesamtprozesszeit gering zu halten. In anderen Ausführungsformen kann eine unkritische Temperatur der Metallisierungslösung 121 im Voraus bestimmt werden, wobei diese unkritische Aufbewahrungstemperatur über Raumtemperatur liegt, wodurch der tatsächliche Abscheideprozess beschleunigt wird, da die Temperaturdifferenz zwischen dem in Kontakt bringen mit der Metallisierungslösung mit der erwärmten Substratoberfläche 102 reduziert wird, während gleichzeitig die Metallisierungslösung 121, die nicht mit dem Substrat 101 in Kontakt ist, unterhalb einer kritischen Temperatur für die selbst initiierte spontane Zersetzung der Metallisierungslösung 121 bleibt. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen die Steuereinheit 122 die Badtemperatur innerhalb des Vorratstanks 120 innerhalb eines Bereichs von ungefähr 40 bis 60°C halten, abhängig von den Eigenschaften der Metallisierungslösung 121. In anderen Ausführungsformen wird die Speichertemperatur der Metallisierungslösung 121 im Wesentlichen bei Raumtemperatur gehalten, während das Zufuhrsystem 160 eine Heizeinrichtung (nicht gezeigt) aufweist, um die Metallisierungslösung 121 vorzuwärmen, wenn diese der Substratoberfläche 102 mittels entsprechender Zufuhrleitungen und Röhren zugeführt wird. In diesen Ausführungsformen, die die Speichertemperatur gering halten, kann es ferner vorteilhaft sein, die Temperatur der Metallisierungslösung beim Aufheizen unmittelbar vor dem Kontakt mit dem Substrat 101 innerhalb von Zufuhrleitungen auf einer nicht kritischen Temperatur zu halten, um damit ein Verstopfen zu vermeiden oder zumindest die Wahrscheinlichkeit für eine spontane Selbstzersetzung der Metallisierungslösung 121 zu reduzieren.
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1c zeigt schematisch die Substratbereiche 101a, 101b und 101c nach Beendigung des in dem System 100 ausgeführten Plattierungsprozesses und möglicherweise nach zusätzlichen Prozessen zum Abschließen der Metallabscheidung oder zum Entfernen von Überschussmaterial und/oder zum Einebnen der Substratoberfläche 102. Somit kann der Bereich 101a eine Saatschicht 110 aufweisen, wobei, wie zuvor erläutert ist, auch die Barrierenschicht 105 durch stromloses Abscheiden aufgebracht worden sein kann, während in dem Bereich 101b das Metallgebiet 106 von einer Metalldeckschicht 111 bedeckt ist, und in dem Bereich 101c ein Metallgate 112 in der Transistorstruktur 108 ausgebildet ist. Es sollte beachtet werden, dass entsprechende Plattierungsprozesse mittels des Systems 100 für die obigen Substratbereiche 101a, 101b und 101c ggf. nicht in einem gemeinsamen Prozess ausgeführt werden und typischerweise unterschiedliche Prozessrezepte erfordern, die speziell auf die erforderlichen Fülleigenschaften und die beteiligten Strukturabmessungen angepasst werden. Es sollte ferner beachtet werden, dass das Herstellen des Metallgates 112 auch durch eine Kombination von stromlosem Plattieren und Elektroplattieren erreicht werden kann, wobei zunächst eine Barrierenschicht und/oder eine Saatschicht abgeschieden wird, ähnlich zu dem Prozess für den Substratbereich 101a, wobei nachfolgend das Metallgate 112 durch Elektroplattierungsabscheidung vervollständigt wird.
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1d zeigt schematisch ein System 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen. In diesen Ausführungsformen ist ein Teil der Heizeinheit 180 (siehe 1a) in die Prozesskammer 140 integriert und kann durch einen temperaturgesteuerten Substrathalter 182 repräsentiert sein. Ferner kann ein Teil des Zufuhrsystems 160 durch geeignete Zufuhrleitungen (nicht gezeigt) oder durch eine Antriebsanordnung 161 repräsentiert sein, die ausgebildet ist, den Substrathalter 182 in die Nähe der Flüssigkeitsoberfläche 123 zu bringen und den Substrathalter 182 zurückzuziehen, wenn der Vorratstank 120 und die Prozesskammer 140 eine badartige Konfiguration bilden. Der Substrathalter 182, der einen Teil der Heizeinheit 180 repräsentiert, ist ausgebildet, eine Temperatur T2 bereitzustellen, die bei oder über einer gewünschten angestrebten Betriebstemperatur liegt, wobei vorteilhafterweise die Metallisierungslösung in dem Vorratstank 120 bei einer tieferen Temperatur T1 gehalten wird, die eine nicht kritische Temperatur in Bezug auf die selbst katalysierte Zersetzung repräsentiert. Ferner kann das Steuern der Temperatur T2 des Substrathalters 182 gemäß einem beliebigen gewünschten Temperaturprofil ausgeführt werden, wodurch deutliche Vorteile gegenüber konventionellen Lösungen erhalten werden, in denen die Temperatur der Metallisierungslösung 121 bei der Betriebstemperatur gehalten wird. Beispielsweise kann die Temperatur T2, die mit der eigentlichen Temperatur der Substratoberfläche 102 korreliert ist, während der gesamten Abscheidephase konstant gehalten werden, oder die Temperatur T2 und damit die resultierende Substratoberfläche können variiert werden, um den Abscheideprozess zu steuern. Dazu können geeignete Temperaturprofile erstellt werden, die entsprechend die Reaktionsrate beeinflussen, wobei die Temperatur T2 stets über der vordefinierten Betriebstemperatur gehalten wird. Wenn beispielsweise eine reduzierte Abscheiderate während einer anfänglichen Phase des Abscheideprozesses gewünscht wird, kann die Temperatur T2 auf die Betriebstemperatur eingestellt werden und kann dann erhöht werden, um damit auch die Abscheiderate zu erhöhen. In ähnlicher Weise kann die Abscheiderate, bei Bedarf, verringert werden, indem die Temperatur T2 entsprechend reduziert wird. Daher soll der Begriff „Betriebstemperatur”, wie er hierin verwendet ist, eine minimale Temperatur bezeichnen oder soll den Verlauf der Temperatur während der Abscheidezeit bezeichnen. Somit beschreibt eine Sollbetriebstemperatur einen Solltemperaturverlauf oder eine geringste vordefinierte Temperatur, die nicht unterschritten werden darf.
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1e zeigt schematisch das System 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Heizeinheit 180 weist zusätzlich oder alternativ zu dem Substrathalter 182 (siehe 1d) eine Vorbehandlungsstation auf, die in der gezeigten Ausführungsform durch eine Vorreinigungsstation 183 repräsentiert ist. Die Vorreinigungsstation 183 kann geeignete Heizmittel (nicht gezeigt) aufweisen, um die Temperatur des Substrats 101 auf eine gewünschte Temperatur T3 zu erhöhen, die gleich oder höher als die vordefinierte Betriebstemperatur sein kann, wenn die Heizeinheit 180 (siehe 1a) keine weiteren Heizelemente umfasst. In anderen Ausführungsformen kann die Vorreinigungsstation 183 als eine Vorheizeinheit dienen. In einer Ausführungsform kann die Vorreinigungsstation 183 eine Spülstation oder ein Spülbad repräsentieren, in der die Spülflüssigkeit, etwa deionisiertes Wasser mit der Temperatur T3 bereitgestellt wird, um damit die Temperatur der Substratoberfläche 102 bei Kontakt mit der Spülflüssigkeit anzuheben. Abhängig von Prozessen, die der Behandlung des Substrats 101 in der Vorreinigungsstation 183 vorausgehen, können andere Reinigungsschemata eingesetzt werden, wobei die Behandlungsdauer in der Vorreinigungsstation 183 vorteilhafterweise für das Anheben der Temperatur des Substrats 101 ausgenutzt werden kann, ohne im Wesentlichen zusätzliche Prozesszeit zu „verbrauchen”.
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1f zeigt schematische das System 100 gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform, wobei die Heizeinheit 180 (siehe 1a) zusätzlich oder alternativ zu der Vorreinigungsstation 183 (1e) und dem Substrathalter 182 (siehe 1d) eine Vorbehandlungsstation 184 aufweist, die ausgestaltet sein kann, um ein Katalysatormaterial auf die Substratoberfläche 102 aufzubringen, wobei die Vorbehandlungsstation 184 ausgebildet ist, das Katalysatormaterial mit einer erhöhten Temperatur im Vergleich zu konventionellen Anlagen bereitzustellen. Beispielsweise kann das Katalysatormaterial mittels eines Katalysatorbades zugeführt werden, wobei die Badtemperatur T4 mindestens die gewünschte Betriebstemperatur ist, wenn nach der Vorbehandlungsstation 184 keine weiteren Heizelemente und Mechanismen vorgesehen sind. Beispielweise können konventionelle Katalysatormaterialien, etwa Kupfer, Platin, Palladium, Kobalt und dergleichen, die zur Initiierung einer Kupferabscheidung verwendet werden, in Form geeigneter Lösungen mit Temperaturen bis zu 50°C bereitgestellt werden, wodurch die Substratoberfläche 102 auf die Betriebstemperatur gebracht wird, wenn die Betriebstemperatur 50°C oder weniger beträgt. Für andere Katalysatormaterialien können höhere Temperaturen erreicht werden. Ähnlich wie bei der Vorreinigungsstation 183 kann auch in der Vorbehandlungsstation 184 die notwendige Behandlungsdauer in der Station 184 vorteilhaft ausgenutzt werden, um das Substrat 101 auf die gewünschte Betriebstemperatur zu erwärmen oder zumindest das Substrat 101 vorzuwärmen, wenn die gewünschte Betriebstemperatur höher als die Temperatur T4 ist, die mittels der Vorbehandlungsstation 184 erreicht wird. Es sollte beachtet werden, dass die in den 1e und 1f gezeigten Ausführungsformen vorteilhaft kombiniert werden können, da typischerweise ein nasschemisches Aufbringen des Katalysatormaterials in der Vorbehandlungsstation 184 für gewöhnlich einen entsprechenden Reinigungs- oder Spülprozess erfordert, der effizient in der Station 183 ausgeführt werden kann, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, das Substrat 101 in zumindest einer dieser Stationen und in einigen Ausführungsformen in beiden Stationen effizient zu erwärmen, wenn moderat hohe Betriebstemperaturen erforderlich sind, die die Temperatur T4, die in der Vorbehandlungsstation 184 angewendet wird, übersteigen. Ferner können eine oder mehrere der mit Bezug zu den 1e und 1f erläuterten Ausführungsformen mit den Ausführungsformen kombiniert werden, die mit Bezug zu 1d beschrieben sind, wodurch ein hoher Durchsatz des Systems 100 sichergestellt ist, da im Wesentlichen keine Zusatzzeit für das Erwärmen des Substrats 101 auf oder über die vordefinierte Betriebstemperatur erforderlich ist, während in der abschließenden Heizphase der Substrathalter (siehe 1d) ein hohes Maß an Prozessflexibilität sicherstellt, da das Temperaturprofil während des eigentlichen Abscheideprozesses entsprechend den spezifizierten Prozesserfordernissen angepasst werden kann.
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Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Technik zum Abscheiden eines Metalls auf einer Substratoberfläche bereit, wobei die gewünschte Betriebstemperatur der stromlosen Metallisierungslösung erreicht wird, indem die Substratoberfläche bei oder über der Betriebstemperatur gehalten wird, während die Metallisierungslösung bei einer unkritischen Temperatur gehalten wird. Als Folge davon wird lediglich der Bereich in der Nähe des Substrats auf Betriebstemperatur gehalten, während die restliche Metallisierungslösung sowie andere Anlagenbereiche bei einer Temperatur deutlich unterhalb der selbst katalysierenden Grenze bleiben. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit für eine selbst katalysierte Zersetzung der Metallisierungslösung deutlich reduziert, wodurch eine im Wesentlichen unbegrenzte Badlebensdauer der Metallisierungslösung und deutlich geringere Anforderungen hinsichtlich der Prozesssteuerung des Plattierungssystems erreicht werden. Ferner kann der Chemikalienverbrauch in typischen Halbleiterfertigungsprozessen sowie die Menge an toxischen Abfallprodukten deutlich verringert werden.
