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GEBIET DER
VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung von
Mikrostrukturen, etwa modernen integrierten Schaltungen, und betrifft
insbesondere die Herstellung leitender Strukturen, etwa Metallleitungen
in Metallisierungsschichten integrierter Schaltungen.
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Bei
der Herstellung moderner Mikrostrukturen, etwa integrierter Schaltungen,
gibt es ein ständiges
Bestreben, die Strukturgrößen von
Mikrostrukturelementen immer weiter zu reduzieren, um damit die Funktionsweise
dieser Strukturen zu verbessern. Beispielsweise sind in modernen
integrierten Schaltungen die kleinsten Strukturgrößen, etwa
die Kanallänge
von Feldeffekttransistoren, nunmehr in einem Bereich deutlich unter
einem Mikrometer, wodurch sich das Leistungsverhalten dieser Schaltungen
hinsichtlich der Geschwindigkeit und/oder der Leistungsaufnahme
verbessert. Wenn die Größe einzelner
Schaltungselemente mit jeder neuen Schaltungsgeneration verringert
wird, wodurch beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente
erhöht
wird, nimmt auch der verfügbare
Platz für
Verbindungsleitungen, die elektrisch die einzelnen Schaltungselemente
miteinander verbinden, ab. Folglich müssen die Abmessungen dieser
Verbindungsleitungen verringert werden, um dem reduzierten Anteil
an verfügbaren
Platz und einer erhöhten Anzahl
an Schaltungselementen pro Einheitsfläche des Chips Rechnung zu tragen.
Die reduzierte Querschnittsfläche
der Verbindungsleitungen kann, möglicherweise
in Verbindung mit einem Anstieg der statischen Leistungsaufnahme äußerst größenreduzierter
Transistorelemente, eine Vielzahl gestapelter Metallisierungsschichten
erforderlich machen, um die Anforderungen im Hinblick auf eine akzeptable Stromdichte
in den Metallleitungen zu erfüllen.
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Moderne
integrierte Schaltungen, die Transistorelemente mit einer kritischen
Abmessung von 0,13 μm
und sogar darunter aufweisen, können
jedoch unter Umständen
deutlich höhere
Stromdichten in den einzelnen Verbindungsleitungen erfordern, trotz
des Vorsehens einer relativ großen
Anzahl von Metallisierungsschichten, auf Grund der großen Anzahl
an Schaltungselementen pro Einheitsfläche. Das Betreiben der Verbindungsleitungen
bei er höhten
Stromdichten kann jedoch zahlreiche Probleme nach sich ziehen, die
mit einer durch Belastung hervorgerufenen Leitungsbeeinträchtigung
einhergehen, wodurch schließlich
ein vorzeitiger Ausfall der integrierten Schaltung erfolgen kann.
Ein wichtiges Phänomen
in dieser Hinsicht ist der strominduzierte Materialtransport in
Metallleitungen, der auch als „Elektromigration" bezeichnet wird
und der zur Ausbildung von Hohlräumen
in und von Materialansammlungen neben den Metallleitungen führen kann, wodurch
sich eine geringere Leistung und Zuverlässigkeit oder ein vollständiger Ausfall
des Bauelements ergibt. Beispielsweise werden Aluminiumleitungen,
die in Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid eingebettet sind,
häufig
als Metall für
Metallisierungsschichten verwendet, wobei, wie zuvor erläutert ist, moderne
integrierte Schaltungen mit kritischen Abmessungen von 0,18 μm oder weniger
deutlich reduzierte Querschnittsflächen der Metallleitungen erforderlich
machen können
und damit erhöhte
Stromdichten benötigen,
wodurch Aluminium zu einem wenig attraktiven Metall für die Herstellung
von Metallisierungsschichten wird.
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Daher
wird Aluminium zunehmend durch Kupfer ersetzt, da dieses einen deutlich
geringeren Widerstand zeigt und da es eine merkliche Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Elektromigrationseffekten bei deutlich höheren Stromdichten im Vergleich
zu Aluminium aufweist. Die Einführung
von Kupfer bei der Herstellung von Mikrostrukturen und integrierten Schaltungen
schafft eine Vielzahl schwieriger Probleme auf Grund der Eigenschaft
des Kupfers, leicht in Siliziumdioxid und vielen dielektrischen
Materialien mit kleinem ε zu
diffundieren. Um die erforderliche Haftung bereitzustellen und um
das ungewünschte Diffundieren
von Kupferatomen in empfindliche Bauteilgebiete zu verhindern, ist
es daher in der Regel erforderlich, eine Barrierenschicht zwischen
dem Kupfer und dem dielektrischen Material vorzusehen, in welchem
die Kupferleitungen eingebettet sind. Obwohl Siliziumnitrid ein
dielektrisches Material ist, das in effizienter Weise die Diffusion
von Kupferatomen verhindert, ist die Verwendung von Siliziumnitrid
als ein Zwischenschichtdielektrikumsmaterial wenig wünschenswert,
da Siliziumnitrid eine relativ hohe Permittivität aufweist, wodurch die parasitären Kapazitäten zwischen
benachbarten Kupferleitungen ansteigen. Daher wird eine dünne leitende
Barrierenschicht, die dem Kupfer auch die erforderliche mechanische
Stabilität
verleiht, gebildet, um damit das Kupfer von dem umgebenden dielektrischen
Material zu trennen, und es wird lediglich eine dünne Siliziumnitridschicht
oder Siliziumkarbidschicht oder Siliziumkarbidschicht mit Stickstoff
in Form einer Deckschicht in Metallisierungsschichten auf Kupferbasis
häufig verwendet.
Gegenwärtig
werden Tantal, Titan, Wolfram und deren Verbindungen mit Stickstoff
und Silizium und dergleichen als bevorzugte Kandidaten für eine leitende
Barrierenschicht verwendet, wobei die Barrierenschicht zwei oder
mehrere Teilschichten unterschiedlicher Zusammensetzung aufweisen
kann, um damit den Erfordernissen hinsichtlich der Unterdrückung der
Diffusion und der Hafteigenschaften zu erfüllen.
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Eine
weitere Eigenschaft des Kupfers, die es deutlich von Aluminium unterscheidet,
ist die Tatsache, dass Kupfer nicht in effizienter Weise in größeren Mengen
durch chemische und physikalische Dampfabscheideverfahren abgeschieden
werden kann, wozu sich die Tatsache gesellt, das Kupfer nicht in
effizienter Weise durch anisotrope Trockenätzprozesse strukturiert werden
kann, wodurch eine Prozessstrategie erforderlich ist, die üblicherweise
als Damaszener- oder Einlege-Technik bezeichnet wird. Im Damaszenerprozess
wird zunächst eine
dielektrische Schicht gebildet, die dann so strukturiert wird, dass
diese Gräben
und Durchführungen aufweist,
die nachfolgend mit Kupfer gefüllt
werden, wobei, wie zuvor dargestellt ist, vor dem Einfüllen des Kupfers
eine leitende Barrierenschicht an Seitenwänden der Gräben und Durchführungen
ausgebildet wird. Das Abscheiden des Hauptteils des Kupfermaterials
in die Gräben
und Durchführungen
wird typischerweise durch nasschemische Abscheideprozesse bewerkstelligt,
etwa das Elektroplattieren und das stromlose Plattieren, wobei das
zuverlässige
Auffüllen
von Kontaktdurchführungen
mit einem Aspektverhältnis
von 5 oder größer mit
einem Durchmesser von 0,3 mm oder sogar weniger zusammen mit Gräben mit
einer Breite im Bereich von ungefähr 0,1 μm oder darunter bis zu einigen
Mikrometer erforderlich ist. Obwohl elektrochemische Abscheideprozesse
für Kupfer
auf dem Gebiet der elektronischen Schaltungsplatinenherstellung
gut etabliert sind, ist das im Wesentlichen hohlraumfreie Auffüllen von
Kontaktdurchführungen
mit großem
Aspektverhältnis
eine äußerst komplexe
und herausfordernde Aufgabe, wobei die Eigenschaften der schließlich erhaltenen Kupfermetallleitung
stark von Prozessparametern, Materialien und der Geometrie der interessierenden Struktur
abhängen.
Da die Geometrie von Verbindungsstrukturen durch die Entwurfserfordernisse festgelegt
ist und daher nicht wesentlich für
eine vorgegebene Mikrostruktur geändert werden kann, ist es von
großer
Bedeutung, den Einfluss von Materialien, etwa von leitenden und
nicht leitenden Barrierenschichten, der Kupfermikrostruktur und
deren wechselseitige Beeinflussung, auf die Eigenschaften der Verbindungsstruktur
abzuschätzen
und zu steuern, um damit sowohl eine hohe Ausbeute als auch die
erforderliche Produktzuverlässigkeit
sicherzustellen.
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Daher
wird ein großer
Aufwand für
die Untersuchung der Leistungsabnahme von Kupferleitungen betrieben,
insbesondere im Hinblick auf die Elektromigration, um neue Materialien
und Prozessstrategien für
die Herstellung von Kupfermetallleitungen zu ermitteln, da zunehmend
strengere Bedingungen im Hinblick auf die Elektromigrationseigenschaften
von Kupferleitungen durch die ständige
Reduzierung der Strukturgrößen in modernen
Bauelementen auferlegt werden.
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Obwohl
der genaue Mechanismus von Elektromigration in Kupferleitungen noch
nicht vollständig verstanden
ist, so zeigt sich dennoch, dass Hohlräume, die in und an Seitenwänden und
Grenzflächen angeordnet
sind, große
Hohlräume
im Materialvolumen und Reste an der Unterseite der Kontaktdurchführungen
einen großen
Einfluss auf das Elektromigrationsverhalten ausüben können. Empirische Forschungsergebnisse
deuten an, dass das Maß an Elektromigration
häufig
von der Materialzusammensetzung des Metalls abhängen kann. D. h., es wird häufig beobachtet,
dass eine Legierung ein deutlich geringeres Maß an Elektromigration im Vergleich
zu dem reinen Metall zeigen kann, wenn angenommen wird, dass die
restlichen Bedingungen identisch sind. Jedoch kann das Anwenden
einer Legierung, etwa einer Kupferlegierung, anstelle des reinen
Kupfers die Leitfähigkeit
der Metallleitung und damit das Bauteilverhalten nachteilig beeinflussen.
Mit ständig
kleiner werdenden Strukturgrößen nimmt
die Bedeutung des Einflusses der kleineren mittleren freien Weglänge von
Elektronen für
elastische Streuungsvorgänge im
Hinblick auf die Gesamtleitfähigkeit
zu. Folglich kann durch Ausbilden einer speziellen Struktur oder kristallographischen
Ordnung in der Legierung, wodurch die mittlere freie Weglänge der
Elektronen vergrößert wird,
die Reduzierung der Leitfähigkeit
im Vergleich zu beliebig ausgebildeten Legierungen verringert werden,
während
die durch die geordnete Struktur erzeugte Anisotropie dennoch die
Widerstand gegenüber
Elektromigration verbessern kann. Jedoch zeigen aktuelle Abscheidetechniken,
insbesondere elektrochemische Abscheidetechniken, die für die Massenproduktion äußerst moderner
Metallisierungsschichten eingesetzt werden, typischerweise eine
nicht ausreichende Prozessflexibilität im Hinblick auf die Legierungsabscheidung.
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Daher
besteht ein Bedarf für
eine verbesserte elektrochemische Abscheidetechnik, die eine erhöhte Flexibilität bei der
Herstellung einer Legierung in Kontaktdurchführungen und Gräben von
Metallisierungsschichten ermöglicht.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an eine Technik,
die die elektrochemische Abscheidung zweier oder mehrerer Metalle
auf einer Substratoberfläche
ermöglicht,
wobei die zwei oder mehreren Metalle ein hohes Maß an chemischer
Ordnung aufweisen, wodurch die Möglichkeit
bereitgestellt wird, Legierungen in Metallleitungen von Halbleitern
herzustellen, die eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration
zeigen, wobei eine ungewünschte
Beeinträchtigung
der Leitfähigkeit
im Wesentlichen vermieden wird.
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Gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das in Kontakt
bringen einer zu beschichtenden Oberfläche mit einem Elektrolyt, wobei
der Elektrolyt mit einer ersten Verbrauchselektrode in Kontakt ist, die
ein erstes Metall aufweist, und mit einer zweiten Verbrauchselektrode
in Kontakt ist, die ein zweites Metall, das unterschiedlich zu dem
ersten Metall ist, aufweist. Ferner wird ein erster Strom zwischen
der ersten Verbrauchselektrode und der Oberfläche über den Elektrolyt erzeugt.
Ferner wird ein zweiter Strom zwischen der zweiten Verbrauchselektrode
und der Oberfläche über den
Elektrolyt erzeugt.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das elektrochemische
Abscheiden einer ersten Schicht eines ersten Metalls und einer zweiten
Schicht eines zweiten Metalls über
einer isolierenden Schicht mit darin ausgebildeten Gräben einer
Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements. Dabei werden
die erste und die zweite Metallschicht in-situ unter Anwendung einer
einzelnen Elektrolytlösung
abgeschieden.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst eine Abscheideanlage einen Reaktorkessel,
der ausgebildet ist, einen spezifizierten Elektrolyt aufzunehmen.
Die Abscheideanlage umfasst ferner eine erste Verbrauchselektrode
mit einem ersten Metall, wobei die erste Verbrauchselektrode in
dem Reaktorkessel angeordnet ist. Die Anlage umfasst ferner eine zweite
Verbrauchselektrode mit einem zweiten Metall, das sich von dem ersten
Metall unterscheidet, wobei die zweite Verbrauchselektrode in dem
Reaktorkessel so angeordnet ist, dass sie elektrisch von der ersten
Verbrauchselektrode isoliert ist. Ferner ist eine erste Stromquelle
vorgesehen, die elektrisch elektrisch mit der ersten Verbrauchselektrode
verbunden ist, und es ist eine zweite Stromquelle vorgesehen, die
elektrisch mit der zweiten Verbrauchselektrode verbunden ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in 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
eine Querschnittsansicht einer Metallisierungsschicht eines modernen Halbleiterbauelements
mit einer chemisch geordneten Legierung in einer Verbindungsstruktur;
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1b schematisch
eine vergrößerte Ansicht
einer atomaren Monoschicht, die einen Legierungsschichtstapel bildet;
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2a schematisch
eine Abscheideanlage für
die elektrochemische Abscheidung einer Legierung derart, dass eine
spezifizierte Anisotropie oder chemische Ordnung erreicht wird;
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2b bis 2d schematisch
Draufsichten beispielhafter Elektrodenanordnungen mit Verbrauchselektrodenbereichen
gemäß anschaulicher Ausführungsformen;
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2e schematisch
eine Elektrodenanordnung mit einer im Wesentlichen inerten Abschirmelektrode,
die über
einer Elektrodenanordnung mit zwei oder mehreren Verbrauchselektroden
aus unterschiedlichen Materialien angeordnet ist; und
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2f schematisch
anschauliche Signalformen zum Steuern des Betriebs der in 2a gezeigten
Abscheideanlage.
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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
offenbarten anschaulichen 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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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an die elektrochemische
Abscheidung zweier oder mehrerer Metalle in-situ, um damit eine spezifizierte
gewünschte
Anisotropie in der abgeschiedenen Metallschicht zu erzeugen. Hierbei
bezeichnet der Begriff „in-situ° einen Prozess,
in welchem zwei oder mehrere unterschiedliche Metalle in einer einzelnen
Abscheidesequenz in einer zeitlich sequenziellen Weise oder in einer
zeitlich überlappenden
Weise abgeschieden werden, wobei die zu beschichtende Substratoberfläche sowohl
in einem einzelnen Reaktorbehälter
angeordnet ist als auch einem einzelnen Elektrolyt oder einer Elektrolytströmung ausgesetzt
ist, ohne dass der Elektrolyt und andere Komponenten der Abscheideanlage
auszuwechseln sind, mit Ausnahme eines Auffrischens einer gewissen
Menge von Badzutaten. Obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf
die folgenden Erläuterungen
einzuschränken
ist, so wird angenommen, dass insbesondere das Problem der erhöhten Elektromigration
in Metallleitungen äußerst größenreduzierter
Halbleiterelemente und anderer Mikrostrukturen deutlich entschärft werden
kann, indem ein gewisses Maß an
chemischer Ordnung oder Anisotropie in die Metallleitung eingeführt wird.
Es wurde beispielsweise herausgefunden, das Metallleitungen auf Kupferbasis
eine deutlich geringere Tendenz für Elektromigration zeigen,
wenn reines Kupfer durch eine Legierung, etwa Kupfer/Nickel (CuNi),
Kupfer/Gold (Cu/Au), Kupfer/Palladium (CuPd), und dergleichen ersetzt
wird. Durch Verwenden der Legierung in einer Form, die anisotrope
Eigenschaften zeigt, kann sowohl eine verbesserte Widertandsfähigkeit
gegen Elektromigration als auch ein akzeptables Verhalten im Hinblick
auf die Leitungsleitfähigkeit
erreicht werden, wobei die vorliegende Erfindung eine Technik bereitstellt,
die die vorhergehenden Ziele mittels einer elektrochemischen Abscheidung
erreichen lässt,
d. h. durch Elektroplattieren, was sich als eine geeignete Technik
zur Herstellung von Metallisierungsschichten auf Kupferbasis in
modernsten Halbleiterbauelementen erwiesen hat. Folglich wird durch
Verbessern der gut bewährten
elektrochemischen Abscheidung insbesondere von Legierungen auf Kupferbasis
durch Vorsehen zweier oder mehrerer Verbrauchselektroden mit einem
geeigneten Spannungs- und Stromsteuerungsschema während eines
einzelnes Abscheideprozesses ein Prozess mit hohem Durchsatz bereitgestellt,
ohne dass teuere und zeitaufwendige CVD-Techniken, etwa die Atomlagenabscheidung
(ALD) erforderlich sind.
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Es
sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung besonders
vorteilhaft im Zusammenhang mit Verbindungsstrukturen auf Kupferbasis ist,
da diese Strukturen vorzugsweise in modernen Mikrostrukturen, etwa
schnellen Mikroprozessoren, modernen Speicherchips und dergleichen
eingesetzt werden, wobei insbesondere das Problem der Elektromigration
die weiteren Entwicklungen bei der Herstellung moderner integrierter
Schaltungen deutlich beeinflussen können. Die Prinzipien der vorliegenden
Erfindung können
jedoch auch auf eine beliebige interessierende Mikrostruktur angewendet
werden, in der durch Belastung hervorgerufene Materialtransportphänomene deutlich
die Funktionsweise und die Zuverlässigkeit der Mikrostruktur
beeinflussen können.
Die vorliegende Erfindung sollte daher nicht auf Verbindungsstrukturen
auf Kupferbasis eingeschränkt
betrachtet werden, sofern nicht derartige Einschränkungen
explizit in den angefügten
Patentansprüchen
beschrieben sind.
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Mit
Bezugnahme zu den begleitenden Zeichnungen werden nun weitere anschauliche
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
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1a zeigt
schematisch eine Mikrostruktur 100, die ein Halbleiterbauelement
einer modernen integrierten Schaltung repräsentieren kann. Die Mikrostruktur 100 umfasst
ein Substrat 101, das ein beliebiges geeignetes Substrat
zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, etwa Siliziumsubstrate, SOI-Substrate
(Silizium auf Isolator), Substrate auf Siliziumbasis mit Gebieten
unterschiedlicher kristalliner Orientierung und/oder unterschiedlicher
Halbleitermaterialzusammensetzungen und dergleichen repräsentieren
kann. Das Substrat 101 kann eine oder mehrere Bauteilschichten
aufweisen, in denen spezielle Strukturelemente der Mirkostruktur 100,
etwa Schaltungselemente in Form von Transistoren, Kondensatoren,
und dergleichen, ausgebildet sind. Der Einfachheit halber sind derartige
Strukturelemente nicht gezeigt.
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Das
Substrat 101 kann ein Gebiet 102 aufweisen, das
mit einer sehr leitfähigen
Verbindungsstruktur 110 in Kontakt zu bringen ist, wobei
das Gebiet 102 eine Metallleitung, ein Kontaktgebiet eines Schaltungselements,
und dergleichen repräsentieren kann.
Die Verbindungsstruktur 110 kann in einer dielektrischen
Schicht 103 ausgebildet sein, die aus ei nem beliebigen
geeigneten Material, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, einen
dielektrischen Material mit kleinem ε, und dergleichen aufgebaut
sein kann. Die Verbindungsstruktur 110 weist einen Graben 105 auf, der
elektrisch mit dem Gebiet 102 mittels einer Durchführung 104 verbunden
ist. Die Oberflächen des
Grabens 105 und der Durchführung 104 können, wenn
eine Metallisierungsschicht auf Kupferbasis betrachtet wird, mit
einer Barrierenschicht 106 beschichtet sein, die die gewünschte mechanische
und diffusionsblockierende Wirkung liefert. Beispielsweise kann
die Barrierenschicht 106 aus Titan, Titannitrid, Tantal,
Tantalnitrid oder beliebigen Verbindungen, oder dergleichen aufgebaut
sein, wobei zwei oder mehrere Teilschichten in der Barrierenschicht 106 vorgesehen
sein können.
Des weiteren kann die Verbindungsstruktur 110 mit einem
geeigneten Metall 107, etwa Kupfer oder einem anderen geeigneten Material
gefüllt
sein, wobei in der vorliegenden Erfindung mindestens ein zweites
Metall, zumindest lokal innerhalb der Verbindungsstruktur 110,
vorgesehen ist, um damit vorzugsweise einen chemisch geordneten
Bereich innerhalb des Grabens 105 und/oder der Durchführung 104 zu
bilden.
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In
diesem Zusammenhang ist eine chemische Ordnung einer Legierung als
eine Struktur zu betrachten, die zumindest zwei unterschiedliche
Metalle aufweist, wobei eine gewisse Anisotropie in der Anordnung
der beiden Metalle vorgesehen ist, um damit eine strukturelle Nahordnung
zu schaffen. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform ein Legierungsstapel 108 durch
den Graben 105 hindurch ausgebildet sein, oder, wie in 1a gezeigt
ist, in einem speziellen Bereich des Grabens 105, etwa
einem oberen Bereich, wobei mehrere erste Schichten 108a in
abwechselnder Weise mit entsprechenden Schichten 108b vorgesehen
sind, und wobei die Schichten 108a im Wesentlichen aus
einem ersten Metall, etwa Kupfer, aufgebaut sind, während die Schichten 108b im
Wesentlichen aus einem zweiten Metall, etwa Gold, Nickel, Palladium,
und dergleichen, aufgebaut sind. Es sollte beachtet werden, dass
in tatsächlichen
Verbindungsstrukturen der Legierungsstapel 108 nicht notwendigerweise
aus im Wesentlichen planaren Teilschichten aufgebaut ist, wie dies
schematisch in 1a gezeigt ist, da die kinetischen
Bedingungen während
des Abscheideprozesses zu gewissen Fluktuationen hinsichtlich der Schichtdicke
und der Form der Schichten führen
können.
Beispielsweise können
auf Grund einer lokal variierenden Abscheiderate die Schichten 108 z.
B. eine schüsselförmige Gestalt
oder dergleichen aufweisen.
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Unabhängig von
der Lage und der Form der einzelnen Schichten 108a, 108b des
Legierungsstapels 108 ist dem Stapel 108 im Gegensatz
zu konventionellen Legierungen, die typischerweise eine im Wesentlichen
isotrope Verteilung der diversen Komponenten zeigen, eine spezielle
chemische Ordnung verliehen. Ferner sollte beachtet werden, dass
in anderen Ausführungsformen
mehr als zwei Metalle in einer chemischen Ordnung vorgesehen sein
können, um
damit das Gesamtverhalten der Verbindungsstruktur 110 an
spezielle Bauteilerfordernisse anzupassen. Z. B. können unterschiedliche
Legierungsarten an unterschiedlichen Stellen innerhalb der Verbindungsstruktur 110 vorgesehen
sein, um damit Iokale Eigenschaften der Verbindungsstruktur 110 in besonderer
Weise anzupassen. In einigen Ausführungsformen ist es daher vorgesehen,
dass in gewissen Bereichen der Verbindungsstruktur 110 ein
im Wesentlichen reines Metall, etwa Kupfer, vorgesehen ist, wohingegen
in anderen Bereichen, etwa dem oberen Bereich des Grabens 105,
eine Kupfer/Nickel-Legierung beispielsweise in Form des Stapels 108 ausgebildet
ist, während
in anderen Bereichen, etwa dem oberen Bereich der Durchführung 104 eine Kupfer/Gold-
oder eine andere geeignete Legierung ausgebildet ist. In anderen
Fällen
kann der Schichtstapel 108 an einer beliebigen gewünschten
Position innerhalb der Verbindungsstruktur 110 ausgebildet sein
und kann drei oder mehrere unterschiedliche Schichtarten aufweisen,
wobei jede Schichtart im Wesentlichen aus einem einzelnen Metall
aufgebaut ist, um damit drei oder mehrere unterschiedliche Metalle
in einer chemischen Ordnung bereitzustellen.
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Die
dielektrische Schicht 103 und die Verbindungsstruktur 110 können durch
eine beliebige geeignete Deckschicht 109, etwa eine Siliziumnitridschicht,
eine Siliziumdioxidschicht, eine Siliziumkarbidschicht, und dergleichen,
bedeckt sein.
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Die
Mikrostruktur 100, wie sie in 1a gezeigt
ist, kann durch die folgenden Prozesse hergestellt werden. Das Substrat 101 mit
dem darin ausgebildeten Gebiet 102 und typischerweise weiteren Schaltungselementen
und Mikrostrukturelementen kann auf der Grundlage gut etablierter
Prozesse hergestellt werden, zu denen Photolithographie, Implantations-,
Abscheide-, Ätz-
und Poliertechniken gehören.
Danach kann die dielektrische Schicht 103 durch gut etablierte
CVD-Techniken und/oder Aufschleudertechniken hergestellt werden.
Danach werden der Graben 105 und die Durchführung 104 in
der dielektrischen Schicht 103 durch gut etablierte Photolithographie-
und Ätzverfahren
gemäß der Damaszener-Technik
strukturiert. Danach wird die Barrierenschicht 106 durch
beispielsweise Sputter-Abscheidung, CVD, ALD, oder dergleichen abgeschieden. Anschließend kann
eine Saatschicht (nicht gezeigt) durch Sputter-Abscheidung, stromloses
Plattieren und dergleichen aufgebracht werden. Danach wird die elektrochemische
Abscheidung des Metalls 107 auf der Grundlage zweier oder
mehrerer Verbrauchselektroden mit einer geeigneten Elektrolytlösung durchgeführt, wobei
der Stromfluss von jeder der Verbrauchselektroden so eingerichtet
wird, dass eine chemisch geordnete Abscheidung des Metalls 107 erreicht
wird, wie dies detaillierter mit Bezugnahme zu den 2a bis 2e beschrieben
ist. Beispielsweise können
die Ströme
von den entsprechenden Verbrauchselektroden zur Oberfläche der
Mikrostruktur 100 über
einen geeigneten Elektrolyten so gesteuert werden, dass der Legierungsstapel 108,
wie er schematisch in 1a gezeigt ist, erhalten wird.
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1b zeigt
schematisch eine vergrößerte Ansicht
auf mikroskopischem Maßstab
des Schichtstapels 108, wobei der Stapel 108 einen
idealen Schichtstapel mit mehreren atomaren Monoschichten repräsentieren
kann. Beispielsweise können
die Schichten 108a Schichten darstellen, die im Wesentlichen
aus Kupferatomen aufgebaut sind, während die Schicht 108b Schichten
repräsentieren
kann, die im Wesentlichen aus Goldatomen aufgebaut sind. Es sollte
beachtet werden, dass 1b einen idealisierten Bereich
des Schichtstapels 108 repräsentiert, da in einem tatsächlichen
Schichtstapel die einzelnen Schichten 108a, 108b Schichten
repräsentieren
können,
die eine Dicke im Bereich von ungefähr einigen Angstrom aufweisen.
Jedoch wird im Vergleich zu konventionellen Legierungen dennoch
ein hohes Maß an
chemischer Ordnung erhalten. Abhängig
von den Prozessparametern und den Materialeigenschaften kann in
einigen Ausführungsformen
ein abschließender
Ausheizprozess ausgeführt
werden, um damit eine gewünschte
Kristallstruktur innerhalb der Verbindungsstruktur 110 herzustellen.
D. h., die Korngröße der Schichten 108a, 108b kann
durch Erwärmen
der Schichten 108a, 108b über eine materialabhängige Aktivierungstemperatur
eingestellt werden, die eine Rekonfigurierung der Kristallkörner erlaubt.
Vor oder nach dem optionalen Ausheizprozess kann die Deckschicht 109 durch
gut etablierte Techniken, etwa die plasmaunterstützte CVD, hergestellt werden.
Es sollte beachtet werden, dass in komplexen integnerten Schaltungen
typischerweise mehrere Metallisierungsschichten, d. h. die dielektrische Schicht 103 mit
der Verbindungsstruktur 110, in Übereinstimmung mit speziellen
Bauteilerfordernissen herzustellen sind. In äußerst größenreduzierten Halbleiterbauelementen
können
die lateralen Abmessungen der Verbindungsstruktur 110 100
nm und deutlich weniger betragen, wodurch der inelastischen Streuung
von Elektronen innerhalb des Metalls der Verbindungsstruktur 110 während des
Betriebs der Mikrostruktur 100 eine wesentliche Rolle zukommt. Folglich
kann die chemische Ordnung der unterschiedlichen Metalle innerhalb
der Verbindungsstruktur 110 inelastische Streuereignisse
reduzieren, während
gleichzeitig Vorteile im Hinblick auf eine erhöhte Widerstandsfä higkeit
gegenüber
Elektromigration bereitgestellt werden, da es sich erwiesen hat,
dass eine Vielzahl von Legierungen einen reduzierten strominduzierten
Materialtransport bei deutlich erhöhten Stromdichten im Vergleich
zu den reinen Metallen aufweisen.
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Mit
Bezug zu den 2a bis 2e werden nun
weitere anschauliche Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zum Herstellen einer chemisch geordneten
Legierung, etwa eines Legierungsstapels, wie er beispielhaft in
den 1a und 1b gezeigt
ist, mittels elektrochemischer Abscheidung detaillierter beschrieben.
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2a zeigt
schematisch eine Abscheideanlage 250 für die elektrochemische Abscheidung von
Metallen auf eine Oberfläche 200a eines
Substrats 200. Das Substrat 200 kann eine Mikrostruktur repräsentieren,
die ähnlich
zu der Mikrostruktur 100 ist, wie sie in den 1a und 1b gezeigt
und unter Hinweis darauf beschrieben ist. In einer speziellen Ausführungsform
weist das Substrat 200 in seiner Oberfläche 200a eine strukturierte
dielektrische Schicht auf, die darin ausgebildet Gräben mit
lateralen Abmessungen von ungefähr
100 nm und sogar weniger aufweist, wobei die Oberfläche 200a mit
einer dünnen
Barrieren- und/oder
Saatschicht beschichtet sein kann, abhängig von den Prozesserfordernissen
und dem auf der Oberfläche 200a abzuscheidenden
Material. Das Substrat 200 wird in einem Reaktorkessel 251 mittels
eines Substrathalters 256 in Position gehalten. Der Substrathalter 256 ist ausgebildet,
das Substrat 200 aufzunehmen und dieses in eine Betriebsposition
zu bringen, wie dies in 2a gezeigt
wird. Es sollte jedoch beachtet werden, dass in der folgenden detaillierten
Beschreibung die Abscheideanlage 250 als ein brunnenartiges Plattierungssystem
bezeichnet wird, da diese Art der Reaktoranordnung häufig in
Prozesslinien von Halbleiterfabriken verwendet wird. Es können jedoch
andere Abscheideanlagenkonfigurationen ebenso in Verbindung mit
der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Z. B. kann eine beliebige
andere badartige Reaktorgeometrie, etwa Anlagen mit einer im Wesentlichen
vertikal ausgerichteten Position des Substrats 200, und
dergleichen verwendet werden. Der Reaktorkessel 251 ist
ausgebildet, eine spezielle Art von Elektrolyt 252 zu halten,
dessen Zusammensetzung von den abzuscheidenden Metallen und den speziellen
Prozesserfordernissen abhängen
kann. Beispielsweise ist in modernen Damaszener-Techniken eine zuverlässige und
im Wesentlichen hohlraumfreie Abscheidung eines Metalls in Gräben und Durchführungen
erforderlich, wobei ein sogenanntes „von unten nach oben" Füllverhalten
notwendig ist, das durch geringe Mengen an Additiven erreicht wird, um
damit in präziser
Weise die kinetischen Bedingungen beim Abscheiden einzustellen.
Der Reaktorkessel 251 kann einen Auslass 254 zur
Aufnahme Reaktorkessel 251 kann einen Auslass 254 zur
Aufnahme von Elektrolyt und zum Rezirkulieren des Elektrolyts zu
einer Speicher- und/oder Aufbereitungsstation 253 aufweisen,
die wiederum aufbereiteten oder neuen Elektrolyten zu dem Reaktorkessel 251 über einen
Elektrolyteinlass 255 zuführt. Ferner ist eine Elektrodenanordnung 257 innerhalb
des Reaktorkessels 251 vorgesehen, die so angeordnet ist, dass
diese mit dem Elektrolyten 252 zumindest während des
Betriebs der Abscheideanlage 250 in Kontakt ist.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform kann
die Elektrodenanordnung 257 eine erste Elektrode 258 aufweisen,
die aus einer Verbrauchselektrode hergestellt ist, die ein erstes
abzuscheidendes Metall aufweist, etwa Kupfer, Nickel, Gold, Palladium, und
dergleichen. Die Elektrodenanordnung 257 kann ferner eine
zweite Elektrode 259 mit einer Verbrauchselektrode aufweisen,
die ein zweites unterschiedliches Metall, etwa Kupfer, Nickel, Gold,
Palladium, und dergleichen aufweist. Die erste und die zweite Elektrode 258, 259 sind
elektrisch voneinander isoliert, um damit einen im Wesentlichen
unabhängigen Betrieb
der Elektroden zu ermöglichen.
In einer speziellen Ausführungsform
ist die Abscheideanlage 250 so gestaltet, dass diese eine
Kupferlegierung auf die Substratoberfläche 200a abscheidet,
so dass eine der Elektroden 258, 259 aus Kupfer
aufgebaut ist. Es sollte beachtet werden, das in einigen Ausführungsformen
die erste und/oder die zweite Elektrode 258, 259 aus
zwei oder mehreren Elektrodenbereichen aufgebaut sein kann. In dem
gezeigten Beispiel sind zwei Elektrodenbereiche 258 und
zwei Elektrodenbereiche 259 in Form von im Wesentlichen
konzentrischen Elektrodenringen vorgesehen. Die einzelnen Elektrodenbereiche
können
gemeinsam mit einer Steuereinheit 260 verbunden sein, die
eine erste Stromquelle 261 und eine zweite Stromquelle 262 aufweisen
kann. Somit können
in einer anschaulichen Ausführungsform
die einzelnen Elektrodenbereiche der ersten Elektrode 258 gemeinsam
mit der ersten Stromquelle 261 verbunden sein, wohingegen die
einzelnen Elektrodenbereiche der zweiten Elektrode 259 mit
der zweiten Stromquelle 262 verbunden sind. In anderen
Ausführungsformen
können
einige oder alle der einzelnen Elektrodenbereiche der ersten und/oder
der zweiten Elektrode voneinander elektrisch isoliert sein und können mit
entsprechenden individuellen Stromquellen verbunden sein, um damit
die Möglichkeit
für ein
effizientes Einstellen des Stromflusses während des Betriebs der Abscheideanlage 250 zu
ermöglichen.
Des weiteren sollte beachtet werden, dass mehr als zwei Elektroden
vorgesehen sein können,
um damit das Abscheiden von mehr als zwei Metallen in einem in-situ-Prozess
zu ermöglichen.
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2b zeigt
schematisch eine Draufsicht der Elektrodenanordnung 257 gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform.
Hier ist die erste Elektrode 258 in Form zweier im Wesentlichen
ringförmiger Elektrodenbereiche
vorgesehen, die in einer konzentrischen Weise und abwechselnd mit
entsprechenden im Wesentlichen ringförmigen Elektrodenbereichen
der zweiten Elektrode 259 angeordnet sind. Die konzentrische
Anordnung der ersten und der zweiten Elektrode 258, 259 mit
jeweils zwei oder mehr Elektrodenbereichen kann für eine im
Wesentlichen gleichförmige
elektrische Feldverteilung während des
Betriebs der Elektrodenanordnung 257 sorgen. Die Elektrodenanordnung 257 kann
so ausgebildet sein, dass die einzelnen Elektroden, etwa die Elektroden 258, 259 oder
sogar jeder einzelne Bereich der entsprechenden Elektroden einfach
ausgetauscht werden kann, ohne dass im Wesentlichen eine Demontage
der verbleibenden Teile der Elektrodenanordnung 257 erforderlich
ist. Wenn z. B. die erste Elektrode 258 aus Kupfer aufgebaut
ist, so kann die zweite Elektrode 259 nach einer speziellen
Prozesssequenz, in der eine erste Legierungskomponente erforderlich
ist, durch eine andere Legierungskomponente ersetzt werden, wenn
eine unterschiedliche Legierung für ein nachfolgendes Los aus
Substraten zu verwenden ist. Die erste und die zweite Elektrode 258, 259 sind
elektrisch voneinander isoliert, so dass jede Elektrode mit einem
individuellen Potential betrieben werden kann, das durch die erste
und die zweite Stromquelle 261, 262 erzeugt wird,
wodurch ein hohes Maß an
Flexibilität
während
des Betriebs erreicht wird. Wie zuvor erläutert ist, können, wenn ein
höheres
Maß an
Flexibilität
erforderlich ist, einige oder alle der einzelnen Elektrodenbereiche
mit speziell zugeordneten Stromquellen verbunden sein.
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2c zeigt
schematisch eine Draufsicht der Elektrodenanordnung 257 gemäß einer
weiteren anschaulichen Ausführungsform.
In dieser Ausführungsform
weisen die erste und die zweite Elektrode 258, 259 entsprechende
Elektrodenbereiche auf, die in Form von scheibenartigen Segmenten
vorgesehen sind, die in abwechselnder Weise so angeordnet sind,
dass ein hohes Maß an
Feldgleichförmigkeit während des
Betriebs der Elektrodenanordnung 257 erreicht wird. Es
sollte beachtet werden, dass die Elektrodenanordnung 257,
wie sie in den 2b und 2c gezeigt
ist, lediglich anschaulicher Natur ist und dass eine beliebige andere
geeignete Konfiguration verwendet werden kann. Beispielsweise können die
einzelnen Segmente der Elektrodenanordnung 257 in 2c in
noch kleinere Segmente unterteilt werden, wobei ein Segment der
ersten Elektrode 258 benachbart zu einem Segment der zweiten
Elektrode 259 angeordnet wird, wodurch eine Ungleichförmigkeit
der globalen Feldverteilung weiter „geglättet" wird, wenn die Elektrodenanordnung 257 in
Betrieb ist. In anderen Beispielen kann eine gitterartige Anordnung
für die
erste Elektrode 258 und die zweite Elektrode 259 vorgesehen
sein, um damit eine schachbrettartige Verteilung entsprechender
Elektrodenbereiche zu erhalten, wobei die zu der ersten Elektrode 258 gehörenden Segmente
miteinander verbunden sein können
und die zu der zweiten Elektrode 259 gehörenden Segmente
miteinander durch die gitterartige Halterung verbunden sein können, die auch
als ein mechanischer Träger
und eine elektrische Verbindung für die entsprechenden Metallsegmente
dienen kann. In anderen Ausführungsformen können die
gitterartigen Träger
individuell für
jeweils die erste und die zweite Elektrode vorgesehen sein, wodurch
das Entfernen oder das Austauschen einer der Elektroden ohne Beeinflussung
der anderen Elektrode möglich
ist. Beispielsweise kann ein erstes Gitter Kupfersegmente aufweisen
und ein zweites Gitter kann eine gewünschte Legierungskomponente beinhalten,
wobei das erste und das zweite Gitter so übereinander gestapelt sind,
dass die Kupfersegmente und die anderen Metallsegmente jeweils freigelegt
sind. Bei Änderung
eines Prozessrezepts kann das obere Gitter leicht entfernt oder
ausgetauscht werden, ohne dass die Entfernung des ersten Gitters
erforderlich ist. Es sollte beachtet werden, dass die obigen Ausführungsformen
auch effizient auf eine Elektrodenanordnung übertragen werden können, in
der mehr als zwei Verbrauchselektroden vorgesehen sind.
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2d zeigt
schematisch eine beispielhafte Ausführungsform der Elektrodenanordnung 257, wenn
diese drei Verbrauchselektroden aufweist, die aus unterschiedlichen
Metallen aufgebaut sind. In dieser Ausführungsform sind die drei Verbrauchselektroden 258a, 258b und 258c jeweils
in Form von Ringsegmenten zweier im Wesentlichen konzentrischer
Ringe vorgesehen. Somit wird weiterhin ein hohes Maß an Feldgleichförmigkeit
erreicht, während gleichzeitig
eine äußerst komplexe
Legierung in einem in-situ-Prozess hergestellt werden kann. Es sollte
beachtet werden, dass die Ausführungsform
aus 2d lediglich anschaulicher Natur ist und dass
andere Anordnungen verwendet werden können. Beispielsweise kann jede
der Elektroden 258a, 258b und 258c in
einer gitterartigen Konfiguration vorgesehen werden, um damit ein
hohes Maß an
Gleichförmigkeit
für jede
der drei einzelnen Elektroden 258a, 258b und 258c zu
erreichen.
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Während des
Betriebs der Abscheideanlage 150 wird der Elektrolyt 252
dem Reaktorkessel 251 so zugeführt, dass die Oberfläche 200a durch
den Elektrolyten 252 kontaktiert wird. Die Steuereinheit 260 kann
dann die Stromquellen 261 und 262 gemäß einem
spezifizierten Prozessrezept aktivieren. Wenn z. B. die Abscheidung
des ersten Metalls, etwa Kupfer, zunächst so in Gang gesetzt wird,
um eine spezifizierte Schichtdicke an Kupfer auf der Oberfläche 200a zu
erzeugen, kann die Steuereinheit 260 zunächst die
erste Stromquelle 261 initialisieren, wenn angenommen wird,
dass die erste Elektrode 258 Kupfer aufweist, um damit
einen Stromfluss von der ersten Elektrode 258 über den
Elektrolyten 252 zu der Oberfläche 200a zu erzeugen,
die während
der Abscheidung als eine Kathode dient, während die erste Elektrode 258 die
Anode repräsentiert.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass die erste oder die zweite
Stromquelle auch einen gepulsten oder sogar einen umgekehrten Stromfluss
in Abhängigkeit
des speziellen verwendeten Prozessrezepts erzeugen können. Somit
ist die Aussage, dass während
des Abscheidens die Elektrodenanordnung 257 als eine „Anode" dient, für einen
Mittelwert korrekt, wenn das Stromintegral über die Zeit betrachtet wird.
Während des
Stromflusses wird Kupfer an der Verbrauchselektrode 258 oxidiert,
wodurch Ionen in der Lösung
des Elektrolyts 252 erzeugt werden, die schließlich reduziert
und auf der Oberfläche 200a abgeschieden
werden. Wenn die zweite Elektrode 259 aus einem Metall
aufgebaut ist, das edler ist als das Metall der Elektrode 258,
so kann die zweite Elektrode 259 schwebend bzw. potentialfrei
gehalten werden, d. h. die Elektrode 259 kann von einem
speziellen Potential abgekoppelt sein. In anderen Fällen kann
die Elektrode 259 auf einem spezifizierten Potential gehalten werden,
um damit im Wesentlichen das Abscheiden von Kupfer darauf zu vermeiden
oder um im Wesentlichen eine elektrochemische Reaktion zu verhindern oder
zumindest zu reduzieren. Wenn die zweite Elektrode 259 aus
einem Metall aufgebaut ist, das weniger edel ist als das Metall
der Elektrode 258 kann ein vordefiniertes negatives Potential
angelegt werden, um im Wesentlichen das Abscheiden von Kupfer auf der
zweiten Elektrode 259 zu vermeiden, oder um eine elektrochemische
Reaktion im Wesentlichen zu verhindern oder zu reduzieren.
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Wenn
die Abscheidung des zweiten Metalls, das in der Elektrode 259 vorhanden
ist, erforderlich ist, deaktiviert die Steuereinheit 260 die
erste Stromquelle 261 und aktiviert die zweite Stromquelle 262, um
die Oxidation des Metalls der zweiten Elektrode 259 in
Gang zu setzen, wodurch entsprechende Ionen in dem Elektrolyten 255 erzeugt
werden, die dann auf der Oberfläche 200a abgeschieden
werden. Während
einer gewissen Zeitdauer in dieser Phase des Abscheidens kann eine Übergangszone
geschaffen werden, in der Ionen des ersten Metalls noch in dem Elektrolyt
vorhanden sind und weiterhin abgeschieden werden, während Ionen
des zweiten Metalls in den Elektrolyten eingebracht werden. Während dieser
Phase des Abscheidens, d. h., wenn die erste Elektrode 258 eigentlich
deaktiviert ist, um das Erzeugen von Ionen des ersten Metalls zu
beenden, kann die erste Elektrode 258, wenn diese aus einem
weniger edlen Metall aufgebaut ist, auf einem negativen Potential
gehalten werden, das ausreichend ist, um im Wesentlichen ein Abscheiden
von Metallionen der Elektrode 259 auf der Elektrode 258 zu
vermeiden. Nachdem eine erforderliche Menge des zweiten Metalls
abgeschieden ist, kann der Abscheideprozess gemäß einem spezifizierten Rezept fortgesetzt
werden. Beispielsweise kann die zweite Stromquelle 262 deaktiviert
und die erste Stromquelle 261 aktiviert werden, um wieder
das erste Metall abzuscheiden, wobei wiederum eine Übergangszone geschaffen
wird, da die zweiten Metallionen noch abgeschieden werden, während die
Metallionen des ersten Metalls zunehmend erzeugt werden. Somit müssen diese Übergangszonen
unter Umständen berücksichtigt
werden, wenn ein geeignetes Steuerungsschema für einen spezifizierten Grad
an chemischer Ordnung erstellt wird. In einigen Ausführungsformen
wird das effektive Volumen des Elektrolyten 252 klein gehalten.
Somit kann der Elektrolyt 252 in einer Menge von ungefähr 2 bis
5 mal und weniger der Menge vorgesehen werden, die für das tatsächliche
Benetzen der Oberfläche 200a erforderlich
ist. Des weiteren kann der Elektrolyt an sich im wesentlichen keine
Metallionen aufweisen, so dass die Elektrodenanordnung 257 als
die einzige Metallquelle dient.
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Es
sollte beachtet werden, dass dieses Abscheideschema verwendet werden
kann, wenn ein moderat „grobes" Maß an chemischer
Ordnung ausreichend ist, d. h. wenn relativ dicke Metallschichten mit
einem dazwischen moderat ausgeprägten Übergangsgebiet
abgeschieden werden, in welchem beide Metalle in einer mehr oder
weniger geeigneten Weise vorhanden sein können. Für einen hohen Grad an chemischer
Ordnung ist es vorteilhaft, einen „Reinigungsmechanismus" einzubauen, um Abscheidephasen
zu reduzieren, in denen beide Metalle, wenn die Abscheidung zweier
Metalle betrachtet wird, oder mehr als zwei Metalle gleichzeitig
in dem Elektrolyt 252 vorhanden sind, wie dies detaillierter nachfolgend
beschrieben ist.
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2e zeigt
schematisch ein anschauliches Zeitdiagramm für die Spannung und Strom der
Elektrodenanordnung 257 zum Ausbilden einer chemisch geordneten
Legierung. In diesem anschaulichen Beispiel wird angenommen, dass
die Spannung und der Strom der ersten Stromquelle 261 in
dem oberen Bereich aus 2e und
der entsprechende Spannungs- und
Stromverlauf über
der Zeit der zweiten Stromquelle 262 in dem unteren Bereich
der 2e gezeigt ist. In dieser Ausführungsform wird Kupfer abgeschieden,
indem die erste Elektrode 258 aktiviert wird, während Gold
durch Aktivieren der zweiten Elektrode 259 ab geschieden
wird. Während
eines ersten Zeitintervalls T1 wird ein erster spezieller Strom,
der durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, durch Anlegen
einer speziellen Spannung, die durch die durchgezogene Linie gekennzeichnet
ist, zwischen der Elektrode 258 und der Substratoberfläche 200a eingeprägt. In einem
Zeitintervall T2 wird die Spannung an der ersten Elektrode 258 auf
einen spezifizierten Betrag umgedreht, um damit den Stromfluss zu
beenden und um ferner im Wesentlichen eine Abscheidung des zweiten
Metalls zu vermeiden, das nunmehr oxidiert und in die Lösung eingebracht
wird, da eine spezielle Spannung an die zweite Elektrode 259 angelegt
ist. In ähnlicher
Weise wird während
des Zeitintervalls T3 die Spannung an der zweiten Elektrode 259 abgeschaltet,
wenn beispielsweise Metall der zweiten Elektrode 259 edler
ist als jenes der ersten Elektrode 258, so dass der entsprechende
Stromfluss beendet wird und im Wesentlichen kein Material des ersten
Metalls des Stromflusses abgeschieden wird, der durch das erneute
Anlegen einer geeigneten Spannung an die erste Elektrode 258 in
Gang gesetzt wird. In ähnlicher
Weise werden in den Zeitintervallen T4 und T5 entsprechende Ströme ausgehend
von den entsprechenden Elektroden erzeugt, während in dem Zeitintervall
T6 die erste Elektrode 258 für eine ausgeprägte Zeitdauer deaktiviert
wird, während
die Abscheidung auf der Grundlage der zweiten Elektrode 259 ausgeführt wird.
Somit kann durch einen „abwechselnden" Betrieb der ersten
und der zweiten Elektrode 258, 259, wie dies mit
Bezugnahme zu den Zeitintervallen T1, ..., T5 gezeigt ist, eine „beschichtete" Legierung auf der
Oberfläche 200a gebildet
werden, wie dies auch beispielsweise in den 1a und 1b gezeigt
ist. Es sollte ferner beachtet werden, dass andere Sequenzen mit
Zeitintervallen angewendet werden können, um eine spezielle chemische
Ordnung der betrachteten Legierung zu erhalten. Des weiteren können die
Zeitintervalle T1, T3, T5, die entsprechende Abscheidephasen auf
der Grundlage der ersten Elektrode 258 repräsentieren,
und die Zeitintervalle T2, T4, T6, die Abscheidephasen auf der Grundlage
der zweiten Elektrode 259 repräsentieren, in einer beliebigen
anderen gewünschten
Konfiguration angeordnet werden. Beispielsweise können entsprechende Phasen
ohne Abscheidung zwischen den entsprechenden Zeitintervallen für die Abscheidung
eingefügt
werden, um kurze Abscheidephasen zu reduzieren, in denen beide Metalle
gleichzeitig auf Grund der Anwesenheit von Metallionen beider Arten
in dem Elektrolyten abgeschieden werden. D. h., nach dem Deaktivieren
der ersten Stromquelle 261, beispielsweise nach dem Zeitintervall
T1, können
dennoch Metallionen der ersten Art in dem Elektrolyten 252 vorhanden
sein, die daraufhin gleichzeitig mit Metallionen der zweiten Art
abgeschieden werden können, die
während
des Zeitintervalls T2 erzeugt werden. Durch Einfügen einer Nichtabscheidephase
zwischen den Zeitintervallen T1 und T2, was bei spielsweise durch
Verzögern
des Aktivierens der zweiten Stromquelle 262 nach dem Abschalten
des ersten Stromes 261 bewerkstelligt werden kann, können die Metallionen
des ersten Metalls zu einem gewissen Grade verringert oder verdünnt werden,
da der Elektrolyt 252 ständig mittels des Auslasses 254,
der Einheit 253 und dem Einlass 255 umgewälzt werden kann.
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In
anderen Ausführungsformen
können
geeignete Spannungs- und Stromprofile verwendet werden, um die gleichzeitige
Anwesenheit beider Metallionen in dem Elektrolyten 252 zu
minimieren. Beispielsweise kann in einer abschließenden Phase des
ersten Zeitintervalls T1 die Spannung stetig verringert werden,
um damit auch den Stromfluss stetig zu verringern, wodurch somit
die Konzentration der Ionen des ersten Metalls, die während des
Aktivierens der zweiten Stromquelle 262 vorhanden sind, deutlich
reduziert wird im Vergleich zu dem Spannungs-Strom-Verlauf, wie
er in 2e gezeigt ist. In ähnlicher
Weise können
die Spannung und der Strom in einer abschließenden Phase des Zeitintervalls
T2 stetig reduziert werden, bevor wiederum die erste Stromquelle 261 in
dem Zeitintervall T3 aktiviert wird. In einer weiteren anschaulichen
Ausführungsform kann
der Elektrolyt 252 ein oder mehrere komplexbildende Mittel
aufweisen, um damit die Stabilität
aller Bestandteile zu bewahren, die zu einer gegebenen Zeit in dem
Elektrolyten 252 vorhanden sind. Beispielsweise kann eine
gewisse Menge eines ersten komplexbildenden Mittels vorgesehen werden,
das eine spezifizierte Menge an Ionen des ersten Metalls „absorbiert", während ein
zweites komplexbildendes Mittel so gestaltet ist, um Ionen des zweiten
Metalls zu absorbieren, wodurch im Wesentlichen die Anwesenheit „freier" Metallionen verhindert
wird, wenn der entsprechende Stromfluss unter die Sättigungsgrenze
des entsprechenden komplexbildenden Mittels vor dem Deaktivieren
der entsprechenden Elektrode gesenkt wird.
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In
noch weiteren Ausführungsformen
können Hilfselektroden
(nicht gezeigt) verwendet werden, die unabhängig von der Elektrodenanordnung 257 während Nichtabscheidephasen
betrieben werden, so dass an der entsprechenden Anodenseite der
Hilfselektroden eine Sauerstofferzeugung oder ein anderer Oxidationsprozess
stattfinden kann, während
die Metallionen, die in dem Elektrolyt 252 vorhanden sind, an
der Kathodenseite der Hilfselektroden „extrahiert" werden. Nach einer
ausreichenden „Verarmung" von Metallionen
kann eine weitere Abscheidephase mit einer weiteren Metallgattung
ausgeführt
werden. Zum unabhängigen
Betreiben der Hilfselektroden kann eine der Stromquellen 261 oder 262 zeitweilig von
der Elektrodenanordnung 257 abgekoppelt und mit den Hilfselektroden
durch entsprechende Schalter (nicht gezeigt) verbunden werden. Alternativ
kann eine entsprechende steuerbare Stromquelle (nicht gezeigt) zum
Betreiben der Hilfselektroden vorgesehen sein.
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Somit
kann durch Bereitstellen der geeigneten Elektrodenanordnung 257 mit
zwei oder mehreren Verbrauchselektroden unterschiedlicher Materialien
die Oberfläche 200a mit
Metall gemäß einer
spezifizierten chemischen Ordnung beschichtet werden. Somit kann
durch geeignetes Steuern der Stromquellen 261, 262 eine
geeignete Menge des entsprechenden Metalls abgeschieden werden,
wobei die Menge auf der Grundlage des Stromverhältnisses gesteuert werden kann,
da die abgeschiedene Metallmenge durch das Faradaysche Gesetz bestimmt
ist. Dabei kann die Steuereinheit 260 das Zeitintegral
für jede Abscheidephase überwachen,
unabhängig
von dem speziellen Stromverlauf in jedem Abscheideintervall, wodurch
eine präzise
Steuerung der chemischen Ordnung der betrachteten Legierung möglich ist.
Beispielsweise kann eine Schichtstruktur lokal in Durchführungen
und/oder Gräben
hergestellt werden, indem eine Abscheidesequenz mit abwechselnden
Abscheideintervallen, etwa den Intervallen T1 und T2 aus 2e ausgeführt wird.
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Es
sollte beachtet werden, dass die zuvor genannten Ausführungsformen
auch in Verbindung mit Elektrodenanordnungen ausgeführt werden
können,
die drei oder mehr unterschiedliche Verbrauchselektroden aufweisen.
In diesen Fällen
können
Legierungsstapel mit drei oder mehreren Teilschichten in einer lokalisierten
Weise hergestellt werden, und/oder unterschiedliche Legierungen
mit zwei Komponenten können
entsprechend den Bauteilerfordernissen gebildet werden. Somit wird
ein hohes Maß an
Flexibilität
bei der Gestaltung einer Verbindungsstruktur erreicht, da Gesichtspunkte
hinsichtlich der Leitfähigkeit
und Aspekte der Elektromigration in äußerst lokalisierter Weise berücksichtigt
werden können.
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2f zeigt
schematisch die Abscheideanlage 250 gemäß einer weiteren anschaulichen
Ausführungsform,
die eine verbesserte Flexibilität
bei der Steuerung entsprechender Stromflüsse von der Elektrodenanordnung 257 zu
der Oberfläche 200a ermöglicht.
Eine inerte Hilfselektrode 263 ist in der Nähe der Elektrodenanordnung 257 mit
den Verbrauchselektroden 258 und 259 angeordnet. „In der Nähe" soll bedeuten, dass
der Abstand der inerten Hilfselektrode 263 zu der Elektrodenanordnung 257 deutlich
kleiner ist als der Abstand der inerten Hilfselektrode 263 zu
der Oberfläche 200a.
Die Hilfselektrode 263 kann beispielsweise in Form einer
Gitterelektrode vorgesehen sein, die mit der Steuereinheit 260 verbun den
ist, wobei die Hilfselektrode 263 insgesamt auf einem spezifizierten
Potential gehalten werden kann oder, in einigen Ausführungsformen, können unterschiedliche
Potentiale an speziellen Bereichen der Hilfselektrode 263 angelegt
werden. Beispielsweise können
ein zentraler Bereich 263a und ein peripher Bereich 263b individuell
mit der Steuereinheit 260 verbindbar sein. Somit ist die
Hilfselektrode 263 ausgestaltet, um eine spezielle Verteilung
des elektrischen Feldes bereitzustellen und kann damit insbesondere
eine im Wesentlichen gleichförmige Feldverteilung
innerhalb des Reaktorkessels 251 ermöglichen.
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Während des
Betriebs der Anlage 250 kann die zweite Elektrode 259 deaktiviert
werden, während
eine gewünschte
Spannung an die erste Elektrode 258 und die Oberfläche 200a angelegt
wird. Folglich wird der spezifizierte Stromfluss hervorgerufen,
um damit Metall an der Elektrode 258 zu oxidieren und das
Metall auf der Oberfläche 200a abzuscheiden.
Nach einer gewissen Zeitdauer, die von sehr kurzen Zeitdauern, woraus
sich kurze Stromspitzen ergeben, bis zu einer langen Abscheidedauer,
die zu einem moderat kontinuierlichen Stromfluss führt, abhängig von
den Prozesserfordernissen dauern kann, kann die zweite Stromquelle 261 deaktiviert werden
und die Hilfselektrode 263 wird auf ein spezifiziertes
positives Potential gelegt, um das elektrische Feld zu erzeugen
oder beizubehalten, das für das
Abscheiden der Metallionen erforderlich ist, die sich in dem Elektrolyt 252 noch
in Lösung
befinden. Da die Hilfselektrode 263 vorzugsweise nahe an
der Elektrodenanordnung 257 angeordnet ist, ist der Anteil
an Metallionen, die unter der Elektrode 263 vorhanden sind,
relativ klein im Vergleich zu dem verbleibenden Volumen des Reaktorkessels 251.
Nach dem Abschalten des Stromflusses auf Grund des Reduzierens und
Abscheidens der Metallionen auf der Substratoberfläche 200a kann
die Elektrode 263 auf ein schwebendes Potential oder ein
anderes geeignetes Potential umgeschaltet werden, während die zweite
Stromquelle 262 aktiviert wird, um damit einen zweiten
Stromfluss zum Abscheiden des zweiten Metalls zu erzeugen. In ähnlicher
Weise kann nach einer spezifizierten Zeitdauer des Aufrechterhaltens
des zweiten Stromflusses mittels der Elektrode 262 diese dann
deaktiviert werden, und somit kann ein geeignetes Potential an die
Hilfselektrode 263 angelegt werden, um das Abscheiden des
zweiten Metalls fortzusetzen bis der Elektrolyt 252 wesentlich
an Ionen des zweiten Metalls verarmt ist. Danach kann bei Bedarf die
Sequenz wiederholt werden entsprechend den Prozesserfordernissen,
wobei ein hohes Maß an chemischer
Ordnung erreicht werden kann, da die Abscheidephasen, während denen
zwei Metallionenarten in dem Elektrolyten 252 vorhanden
sind, deutlich reduziert sind. Folg lich können äußerst dünne Schichten eines spezifischen
Metalls abgeschieden werden, ohne dass ein äußerst komplexer Elektrolyt erforderlich
ist.
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Es
gilt also: die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Technik
zum elektrochemischen Abscheiden zweier oder mehrerer Metalle in-situ
bereit, wodurch die Möglichkeit
geschaffen wird, Legierungen mit einem hohen Maß an chemischer Ordnung zu
bilden. Zu diesem Zwecke wird eine Elektrodenanordnung mit zwei
oder mehreren Verbrauchselektroden, die jeweils aus einem speziellen
Metall aufgebaut sind, in einem einzelnen Reaktorkessel verwendet,
wobei die einzelnen Verbrauchselektroden elektrisch voneinander
isoliert sind, so dass die einzelnen Verbrauchselektroden entsprechend
einem spezifizierten Zeitablauf gesteuert werden können. Auf
diese Weise kann die chemische Ordnung mehrerer Metalle während eines
einzelnen Abscheideprozesses entsprechend so zugeschnitten werden,
dass eine hohe Leitfähigkeit
und eine gewünschte
Widerstandsfähigkeit
gegen Elektromigration insbesondere in Metallisierungsschichten
auf Kupferbasis äußerst größenreduzierter
Mikrostrukturen erreicht wird. Des weiteren können nach dem Abscheiden der
zwei oder mehreren Metalle geeignet gestaltete Ausheizprozesse ausgeführt werden,
um die Kristallstruktur der abgeschiedenen Metallstruktur weiter
zu verbessern, wodurch eine noch weiter verbesserte Leitfähigkeit
erhalten werden kann.
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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 erachten.