DE102005020061B4 - Technique for making interconnect structures with reduced electrical and stress migration and / or lower resistance - Google Patents
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Abstract
Verfahren mit: Bilden einer Metallleitung (222) in einer dielektrischen Schicht (221), die über einem Substrat (201) ausgebildet ist, das ein Halbleiterbauelement (200) aufweist; wobei die Metalleitung (222) durch Bilden eines Grabens (226) in der dielektrischen Schicht (211), Ausbilden einer Saatschicht (228) auf Oberflächen des Grabens, Einfüllen von einem oder mehreren Metallen (229) in den Graben (226) durch einen elektrochemischen Abscheidungsprozeß und Entfernen von überschüssigem Material, das während des elektrochemischen Abscheidungsprozesses abgeschieden wurde, gebildet wird; Ausführen einer Wärmebehandlung (230), um eine kristalline Struktur eines Teils des einen oder der mehreren Metalle (229) zu modifizieren; Einbringen des Teils des einen oder der mehreren Metalle (229) in eine Vakuumumgebung (235), um das Ausgasen von Kontaminationsstoffen in dem Teil des einen oder der mehreren Metalle (229) zu fördern, wobei die Wärmebehandlung (230) zumindest teilweise ausgeführt wird, während der Teil des einen oder der mehreren Metalle (229) der Einwirkung der Vakuumumgebung (235) ausgesetzt ist; Einbringen des Teils des einen oder der mehreren Metalle (229) in eine reduzierende Umgebung nach dem Einbringen in die Vakuumumgebung (235); wobei die Wärmebehandlung (230) und das Einbringen des Teils des einen oder der mehreren Metalle (229) in eine reduzierende Umgebung nach dem Abscheiden des Teils des einen oder der mehreren Metalle (229) in dem Graben (226) und vor dem vollständigen Abscheiden des einen oder der mehreren Metalle (229) ausgeführt werden.A method comprising: forming a metal line (222) in a dielectric layer (221) formed over a substrate (201) comprising a semiconductor device (200); wherein the metal line (222) is formed by forming a trench (226) in the dielectric layer (211), forming a seed layer (228) on surfaces of the trench, filling one or more metals (229) into the trench (226) by an electrochemical Deposition process and removal of excess material deposited during the electrochemical deposition process; Performing a heat treatment (230) to modify a crystalline structure of a portion of the one or more metals (229); Introducing the portion of the one or more metals (229) into a vacuum environment (235) to promote the outgassing of contaminants in the portion of the one or more metals (229), wherein the heat treatment (230) is at least partially performed; while the portion of the one or more metals (229) is exposed to the action of the vacuum environment (235); Introducing the portion of the one or more metals (229) into a reducing environment after introduction to the vacuum environment (235); wherein the heat treatment (230) and introducing the portion of the one or more metals (229) into a reducing environment after depositing the portion of the one or more metals (229) in the trench (226) and before complete deposition of the one or more metals (229) are performed.
Description
GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNGFIELD OF THE PRESENT INVENTION
Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung von Mikrostrukturen, etwa moderner integrierter Schaltungen, und betrifft insbesondere das Herstellen leitender Strukturen, etwa Metallleitungen in Metallisierungsschichten von integrierten Schaltungen.In general, the present invention relates to the fabrication of microstructures, such as advanced integrated circuits, and more particularly relates to fabricating conductive structures, such as metal lines, in integrated circuit metallization layers.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIKDESCRIPTION OF THE PRIOR ART
Bei der Herstellung moderner Mikrostrukturen, etwa integrierter Schaltungen, gibt es ein ständiges Bestreben, die Strukturgrößen von Mikrostrukturelementen zu reduzieren, um damit die Funktionsweise dieser Strukturen zu verbessern. Beispielsweise haben in modernen integrierten Schaltungen die minimalen Strukturgrößen, etwa die Kanallänge von Feldeffekttransistoren, nunmehr den Bereich deutlich unter 1 μm erreicht, wodurch sich das Leistungsverhalten dieser Schaltungen hinsichtlich der Geschwindigkeit und/oder der Leistungsaufnahme verbessert. In dem Maße, wie die Größe der einzelnen Schaltungselemente mit jeder neuen Schaltungsgeneration reduziert wird, wodurch beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente ansteigt, verringert sich auch der verfügbare Platz für Verbindungsleitungen, die die einzelnen Schaltungselemente elektrisch miteinander verbinden. Folglich müssen die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen verringert werden, um dem geringen Anteil an verfügbaren Platz und einer erhöhten Anzahl an Schaltungselemente, die pro Einheitschipfläche vorgesehen sind, Rechnung zu tragen. Die reduzierte Querschnittsfläche der Verbindungsleitungen kann möglicherweise in Verbindung mit einem Anwachsen der statischen Leistungsaufnahme äußerst skalierter Transistorelemente das Vorsehen mehrerer gestapelter Metallisierungsschichten erfordern, um die Erfordernisse im Hinblick auf eine akzeptable Stromdichte in den Metallleitungen zu erfüllen.In the fabrication of advanced microstructures, such as integrated circuits, there is a constant drive to reduce the feature sizes of microstructure features to improve the performance of these features. For example, in modern integrated circuits, the minimum feature sizes, such as the channel length of field effect transistors, have now reached the range well below 1 μm, thereby improving the performance of these circuits in terms of speed and / or power consumption. As the size of the individual circuit elements is reduced with each new circuit generation, for example, increasing the switching speed of the transistor elements, the available space for interconnecting lines electrically connecting the individual circuit elements also decreases. As a result, the dimensions of these interconnections must be reduced to accommodate the small amount of available space and increased number of circuit elements per unit die area. The reduced cross-sectional area of the interconnect lines, possibly in conjunction with an increase in static power consumption of highly scaled transistor elements, may require the provision of multiple stacked metallization layers to meet the requirements for acceptable current density in the metal lines.
Moderne integrierte Schaltungen mit Transistorelementen, die eine kritische Abmessung von 0,13 μm und sogar weniger aufweisen, können jedoch deutlich erhöhte Stromdichten in den einzelnen Verbindungsleitungen erforderlich machen, trotz des Vorsehens einer relativ großen Anzahl an Metallisierungsschichten, auf Grund der großen Anzahl an Schaltungselementen pro Einheitsfläche. Das Betreiben der Verbindungsleitungen bei erhöhten Stromdichten kann jedoch eine Reihe von Problemen nach sich ziehen, die mit einer stress- bzw. belastungsinduzierten Leitungsbeeinträchtigung in Beziehung stehen, was letztlich zu einem vorzeitigen Ausfall der integrierten Schaltung führen kann. Ein wichtiges Phänomen in dieser Hinsicht ist der strominduzierte Materialtransport in Metallleitungen, der auch als „Elektromigration” bezeichnet wird und der auch zur Ausbildung von Hohlräumen in und von Materialanhäufungen neben den Metallleitungen führen kann, woraus ein reduziertes Leistungsverhalten und eine geringere Zuverlässigkeit oder ein vollständiger Ausfall des Bauelements resultieren kann. 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 0,13 μm oder weniger unter Umständen deutlich reduzierte Querschnittsflächen der Metallleitungen und damit erhöhte Stromdichten erfondern, wodurch Aluminium wenig attraktiv ist für die Herstellung von Metallisierungsschichten auf Grund der deutlichen Elektromigrationseffekte.However, modern integrated circuits with transistor elements that have a critical dimension of 0.13 μm and even less may require significantly increased current densities in the individual interconnect lines, despite the provision of a relatively large number of metallization layers, due to the large number of circuit elements per unit area. However, operating the interconnections at increased current densities may entail a number of problems associated with stress induced line impairment, which may ultimately lead to premature failure of the integrated circuit. An important phenomenon in this regard is current-induced material transport in metal lines, also referred to as "electromigration", which can also lead to the formation of voids in and accumulations of material adjacent to the metal lines, resulting in reduced performance and reliability or complete failure of the device may result. For example, aluminum lines embedded in silicon dioxide and / or silicon nitride are often used as metal for metallization layers, and as discussed previously, modern integrated circuits having critical dimensions of 0.13 μm or less may have significantly reduced cross-sectional areas of the metal lines and thus high current densities, whereby aluminum is not very attractive for the production of metallization layers due to the significant electromigration effects.
Daher wird Aluminium zunehmend durch Kupfer ersetzt, das einen deutlich geringeren Widerstand und eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigrationseffekten bei 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 einer Vielzahl von dielektrischen Materialien mit kleinem ε zu diffundieren. Um die erforderliche Haftung zu gewährleisten und das ungewünschte Diffundieren von Kupferatomen in empfindliche Bauteilgebiete zu vermeiden, ist es daher typischerweise erforderlich, eine Barrierenschicht zwischen dem Kupfer und dem dielektrischen Material, in welchem die Kupferleitungen eingebettet sind, vorzusehen. Obwohl Siliziumnitrid ein dielektrisches Material ist, das in effizienter Weise die Diffusion von Kupferatomen verhindert, ist die Verwendung von Siliziumnitrid als Material eines Zwischenschichtdielektrikums wenig erstrebenswert, da Siliziumnitrid eine äußerst hohe Permittivität aufweist, wodurch die parasitären Kapazitäten zwischen benachbarten Kupferleitungen erhöht werden. Daher wird eine dünne leitende Barrierenschicht, die dem Kupfer auch die erforderliche mechanische Stabilität verleiht, vorgesehen, um den Großteil des Kupfers von dem umgebenden dielektrischen Material zu trennen, und es wird lediglich eine dünne Siliziumnitrid- oder Siliziumkarbid oder Siliziumoxykarbidschicht in Form einer Deckschicht häufig in Metallisierungsschichten auf Kupferbasis verwendet Gegenwärtig sind Tantal, Titan, Wolfram und deren Verbindungen mit Stickstoff und Silizium und dergleichen bevorzugte Kandidaten für eine leitende Barrierenschicht, wobei die Barrierenschicht zwei oder mehrere Teilschichten unterschiedlicher Zusammensetzung aufweisen kann, um die Erfordernisse hinsichtlich der Unterdrückung der Diffusion und der Haftungseigenschaften zu erfüllen.Therefore, aluminum is increasingly being replaced by copper, which has significantly lower resistance and increased resistance to electromigration effects at higher current densities compared to aluminum. The introduction of copper in the fabrication of microstructures and integrated circuits creates a number of difficult problems due to the property of copper to easily diffuse into silicon dioxide and a variety of low-k dielectric materials. It is therefore typically necessary to provide a barrier layer between the copper and the dielectric material in which the copper lines are embedded in order to ensure the required adhesion and to avoid undesired diffusion of copper atoms into sensitive device areas. Although silicon nitride is a dielectric material that effectively prevents diffusion of copper atoms, the use of silicon nitride as the material of an interlayer dielectric is less desirable because silicon nitride has extremely high permittivity, thereby increasing the parasitic capacitances between adjacent copper lines. Thus, a thin conductive barrier layer which also provides the required mechanical stability to the copper is provided to separate most of the copper from the surrounding dielectric material, and only a thin silicon nitride or silicon carbide or silicon oxide carbide layer in the form of a capping layer is often used At present, tantalum, titanium, tungsten and their compounds with nitrogen and silicon and the like are preferred candidates for a conductive barrier layer, which barrier layer may have two or more sub-layers of different composition to meet the diffusion and adhesion suppression requirements to fulfill.
Eine weitere Eigenschaft des Kupfers, die es deutlich von Aluminium unterscheidet, ist die Tatsache, dass Kupfer nicht effizient in größeren Mengen durch chemische und physikalische Dampfabscheidetechniken aufgebracht werden kann. Des weiteren kann Kupfer nicht in effizienter Weise durch anisotrope Trockenätzprozesse strukturiert werden, wodurch eine Prozessstrategie erforderlich ist, die üblicherweise als Damaszener- oder Einlege-Technik bezeichnet wird. Im Damaszener-Prozess 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 dargelegt ist, vor dem Auffüllen des Kupfers eine leitende Barrierenschicht an Seitenwänden der Gräben und Kontaktdurchführungen gebildet wird. Das Abscheiden des Hauptanteils des Kupfermaterials in die Gräben und Durchführungen wird typischerweise durch nasschemische Prozesse, etwa Elektroplattieren und stromloses Plattieren, durchgeführt, wobei das zuverlässige Auffüllen von Durchführungen mit einem Aspektverhältnis von fünf oder größer bei einem Durchmesser von ungefähr 0,1 μm oder noch weniger zusammen mit Gräben erforderlich ist, die eine Breite im Bereich von ungefähr 0,1 μm oder weniger bis einige Mikrometer aufweisen. Obwohl elektrochemische Abscheideprozesse für Kupfer auf dem Gebiet der Elektronikplatinenherstellung gut bekannt sind, ist eine im Wesentlichen hohlraumfreie Füllung von Durchführungen mit hohem Aspektverhältnis eine äußerst komplexe und herausfordernde Aufgabe, wobei die Eigenschaften der schließlich erhaltenen Kupferleitungen stark von Prozessparametern, Materialien und Geometrie der interessierenden Struktur abhängt. Da die Geometrie von Verbindungsstrukturen durch Entwurfserfordernisse festgelegt ist und daher nicht nennenswert bei einer vorgegebenen Mikrostruktur geändert werden kann, ist es von großer Wichtigkeit, den Einfluss von Fertigungsprozessen, die bei der Herstellung von Metallisierungsschichten beteiligt sind und von Materialien, etwa leitende und nicht leitende Barrierenschichten, auf die Kupfermikrostruktur sowie deren gegenseitige Wechselwirkung auf die Eigenschaften der Verbindungsstruktur abzuschätzen und zu steuern, um sowohl eine hohe Ausbeute als auch eine erforderliche Produktzuverlässigkeit zu garantieren. Another property of copper that makes it significantly different from aluminum is the fact that copper can not be efficiently applied in larger quantities by chemical and physical vapor deposition techniques. Furthermore, copper can not be efficiently patterned by anisotropic dry etch processes, thus requiring a process strategy commonly referred to as damascene or insert technique. In the damascene process, a dielectric layer is first formed, which is then patterned to include trenches and vias which are subsequently filled with copper, where, as stated previously, prior to filling the copper, a conductive barrier layer is provided on sidewalls of the trenches and contact bushings is formed. The deposition of the majority of the copper material into the trenches and vias is typically performed by wet chemical processes, such as electroplating and electroless plating, with the reliable filling of vias having an aspect ratio of five or greater with a diameter of about 0.1 μm or even less is required along with trenches having a width in the range of about 0.1 μm or less to several micrometers. Although electrochemical deposition processes for copper are well known in the electronics board manufacturing art, a substantially void-free filling of high aspect ratio vias is a highly complex and challenging task, the properties of the final copper lines being highly dependent on process parameters, materials, and geometry of the structure of interest , Since the geometry of interconnect structures is dictated by design requirements and therefore can not be changed appreciably with a given microstructure, it is of great importance to consider the influence of manufacturing processes involved in the fabrication of metallization layers and materials, such as conductive and nonconductive barrier layers to estimate and control the copper microstructure and their mutual interaction on the properties of the interconnect structure to ensure both high yield and required product reliability.
Folglich wurden große Anstrengungen unternommen, um die Beeinträchtigung von Kupferleitungen insbesondere im Hinblick auf Elektro- und Stressmigration, und im Hinblick auf eine nicht gewünschte Verringerung der Leitfähigkeit in äußerst größenreduzierten Bauelementen zu untersuchen, um damit neue Materialien und Prozessstrategien zur Herstellung von Metallleitungen auf Kupferbasis zu finden, da zunehmend strengere Anforderungen im Hinblick auf die Elektro- und Stressmigration und im Hinblick auf die Leitfähigkeitseigenschaften von Kupferleitungen für ständig reduzierte Strukturgrößen in modernen Bauelementen auferlegt werden. Obwohl der genaue Mechanismus der Elektro- und Stressmigration in Kupferleitungen noch nicht vollständig verstanden ist, zeigt sich dennoch, dass Hohlräume, die in und an Seitenwänden und Grenzflächen angeordnet sind, große Freiräume im Leitervolumen und Reste an der Unterseite der Kontaktdurchführung einen deutlichen Einfluss auf das Elektro- und Stressmigrationsverhalten ausüben können. Empirische Forschungsergebnisse zeigen, dass das Maß an Elektro- und Stressmigration häufig von der Materialzusammensetzung des Metalls, der kristallinen Struktur des Metalls, dem Zustand von Grenzflächen zu benachbarten Materialien, etwa leitenden und dielektrischen Barrierenschichten, und dergleichen, abhängen können.Consequently, great efforts have been made to investigate the degradation of copper lines, particularly with regard to electrical and stress migration, and undesired conductivity reduction in extremely reduced size devices to thereby provide new materials and process strategies for producing copper-based metal lines As increasingly stringent requirements are imposed on electrical and stress migration and on the conductivity properties of copper lines for constantly reduced feature sizes in modern devices. Although the exact mechanism of electrical and stress migration in copper pipes is not yet fully understood, it can be seen that cavities located in and on sidewalls and interfaces significantly affect the conductor volume and the underside of the feedthrough Exercise electrical and stress migration behavior. Empirical research has shown that the levels of electrical and stress migration can often depend on the material composition of the metal, the crystalline structure of the metal, the state of interfaces to adjacent materials, such as conductive and dielectric barrier layers, and the like.
Beispielsweise bieten in Aluminiumleitungen Kristallkorngrenzen bevorzugte Diffusionswege für stress- und strominduzierte Materialtransportereignisse. Da eine Verringerung der Leitungsgröße tendenziell kleinere Kristallkörner hervorruft, kann daher eine unverhältnismäßig erhöhte Elektro- und Stressmigration auftreten. Obwohl Korngrenzen nicht notwendigerweise bevorzugte Diffusionswege in Metallleitungen auf Kupferbasis darstellen, kann die erhöhte Anzahl an Korngrenzen dennoch signifikant den Gesamtwiderstand der kupferbasierten Leitung auf Grund der erhöhten Elektronstreuung an den Korngrenzen erhöhen. Folglich muss der äußerst komplexe Fertigungsprozess für Metallisierungsschichten, wozu das Abscheiden des Metalls, das nachfolgende Ausheizen davon, und dergleichen gehören, gesteuert werden, um zu versuchen, das Verhalten der Metallverbindungsstrukturen im Hinblick auf die Elektro- und Stressmigration und/oder auf die Leitfähigkeit zu verbessern.For example, in aluminum tubing, crystal grain boundaries provide preferential diffusion paths for stress- and flow-induced material handling events. Since a reduction in the line size tends to cause smaller crystal grains, therefore, a disproportionately high electro- and stress migration can occur. Although grain boundaries are not necessarily preferred diffusion paths in copper-based metal lines, the increased number of grain boundaries can still significantly increase the overall resistance of the copper-based line due to the increased electron scattering at the grain boundaries. Consequently, the highly complex manufacturing process for metallization layers, which includes depositing the metal, subsequently annealing it, and the like, must be controlled to attempt to improve the behavior of the metal interconnect structures in terms of electrical and stress migration and / or conductivity improve.
Daher besteht ein Bedarf für eine verbesserte Technik, die die Herstellung von Metallverbindungsstrukturen ermöglicht, die eine geringere stress- und strominduzierte Materialdiffusion und/oder eine erhöhte Leitfähigkeit selbst in äußerst größenreduzierten Mikrostrukturen zeigen.Therefore, there is a need for an improved technique that enables the fabrication of metal interconnect structures that exhibit less stress and current induced material diffusion and / or increased conductivity even in extremely sized microstructures.
Die
Die
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNGOVERVIEW OF THE INVENTION
Im Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an eine Technik zur Herstellung von Metallleitungen in Metallisierungsschichten von Halbleiterbauelementen, wobei die Eigenschaften der Metallleitungen im Hinblick auf die Elektro- und Stressmigration und/oder im Hinblick auf die Leitfähigkeit verbessert werden können, indem eine Wärmebehandlung während und/oder nach der Ausbildung der Metallleitungen ausgeübt wird, um damit das elektrische Verhalten der Metallleitungen zu verbessern. Gemäß der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Bildung einer Metallleitung in einer dielektrischen Schicht die Merkmale des Anspruchs 1.In general, the present invention is directed to a technique for making metal lines in metallization layers of semiconductor devices, wherein the properties of the metal lines can be improved with respect to electrical and stress migration and / or conductivity by performing heat treatment during and / or after the formation of the metal lines is exerted to thereby improve the electrical behavior of the metal lines. According to the invention, a method of forming a metal line in a dielectric layer comprises the features of claim 1.
In dieser Hinsicht ist eine Vakuumumgebung als eine Atmosphäre mit einem reduzierten Druck der Größenordnung von einigen 1.33 Hektopascal (= 1 Torr) und deutlich darunter zu verstehen, wohingegen eine subatmosphärische Umgebung Druckbedingungen mit einschließen kann, die in einen Bereich von Werten unter aber nahe des Umgebungsdrucks der Fertigungsstätte bis zu Vakuumdruckbedingungen liegen.In this regard, a vacuum environment is to be understood as an atmosphere with a reduced pressure of the order of a few 1.33 hectopascals (= 1 Torr) and well below, whereas a subatmospheric environment may include pressure conditions that fall within a range of values below but near ambient the production site are up to vacuum pressure conditions.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Weitere Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezugnahme zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird; es zeigen:Further advantages, objects and embodiments of the present invention are defined in the appended claims and will be more clearly apparent from the following detailed description when studied with reference to the accompanying drawings; show it:
DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Die vorliegende Erfindung richtet sich an eine Technik, die die Herstellung von Metallleitungen in Metallisierungsschichten von sogar äußerst größenreduzierten Halbleitebauelementen ermöglicht, wobei eine kristalline Struktur der Metalle und/oder der Grad der Reinheit der Metalle mittels einer Wärmebehandlung modifiziert wird, um damit die Eigenschaften der Metallleitungen im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit gegen Elektro- und Stressmigration und/oder im Hinblick auf ihre inhärente Leitfähigkeit zu verbessern. Ohne die vorliegende Erfindung auf die folgende Erläuterung einschränken zu wollen, wird angenommen, dass die Verringerung der Zahl der Korngrenzen innerhalb einer Metallleitung deutlich das elektrische Verhalten der Metallleitung beeinflussen kann, indem Elektro- und Stressmigration reduziert wird und/oder die inhärente Leitfähigkeit vergrößert wird. Bekanntlich kann die Kristallstruktur von Metallen in Metallleitungen von Mikrostrukturen signifikant von der Art des verwendeten Materials, der verwendeten Abscheidetechnik, den während des Abscheideprozesses eingestellten Prozessparametern sowie von vorhergehenden und nachfolgenden Prozessen des eigentlichen Abscheidens des Metalls abhängen.The present invention is directed to a technique which enables metal lines to be fabricated in metallization layers of even extremely small size semiconductor devices by modifying a crystalline structure of the metals and / or the degree of purity of the metals by means of a heat treatment to thereby improve the properties of the metal lines with regard to resistance to electrical and stress migration and / or with regard to their inherent conductivity. Without limiting the present invention to the following discussion, it is believed that reducing the number of grain boundaries within a metal line can significantly affect the electrical performance of the metal line by reducing electrical and stress migration and / or increasing inherent conductivity. As is known, the crystal structure of metals in metal lines of microstructures may depend significantly on the type of material used, the deposition technique used, the process parameters set during the deposition process, and on previous and subsequent processes of actually depositing the metal.
Beispielsweise werden Metallisierungsschichten auf Kupferbasis gegenwärtig unter Einsatz von elektrochemischen Abscheidetechniken, etwa dem Elektroplattieren, hergestellt, wobei die Korngröße und die kristalline Struktur signifikant von den Abscheideparametern und von den Abmessungen von den Gräben und Durchführungen abhängt, die mit dem Metall auf Kupferbasis zu befüllen sind, da die reduzierten Abmessungen der Gräben und Durchführungen zur Ausbildung von Metallkörnern mit geringeren Abmessungen führen können. Daher kann die inhärente Leitfähigkeit des kupferbasierten Metalls auf Grund der ansteigenden Ladungsträgerstreuung an der größeren Anzahl an Korngrenzen verringert werden.For example, copper-based metallization layers are currently manufactured using electrochemical deposition techniques, such as electroplating, the grain size and crystalline structure being significantly dependent on the deposition parameters and dimensions of the trenches and vias to be filled with the copper-based metal, since the reduced dimensions of the trenches and bushings can lead to the formation of metal grains with smaller dimensions. Therefore, the inherent conductivity of the copper-based metal due to the increasing charge carrier scattering at the larger number of grain boundaries can be reduced.
Bekanntlich erfordert das elektrochemische Abscheiden in äußerst größenreduzierten Gräben und Durchführungen in einer im Wesentlichen hohlraumfreien Weise das Einführen anspruchsvoller Elektroplattierungstechniken, die eine äußerst komplexe Elektrolytlösung erfordern. Somit werden eine Reihe von Additiven, etwa Abscheidesuppressoren, Beschleuniger, komplexbildende Mittel, und dergleichen in typischen Elektrolytlösungen verwendet, die zu einem gewissen Maße auch in dem Metall nach der Abscheidung verbleiben, wodurch ebenso die resultierende inhärente Leitfähigkeit der Metallleitung beeinträchtigt. Ferner kann die Anwesenheit von Kontaminationsstoffen in dem Metall und/oder die Existenz einer Vielzahl von Korngrenzen auch einen Einfluss auf das Elektro- und Stressmigrationsverhalten ausüben, da Korngrenzen und/oder die Kontaminationsstoffe die Eigenschaften von Grenzflächen zwischen dem Metall und benachbarten Materialien, etwa einer Diffusionsbarriere für Kupfer, beeinflussen können. Ferner können die Korngrenzen direkt den stressinduzierten Materialtransport beeinflussen, wie dies beispielsweise bei Aluminium der Fall ist. Folglich kann durch Modifizieren der Kristallstruktur des Metalls und/oder durch Reduzieren der Menge an Kontaminationsstoffen das Gesamtverhalten der Metallleitungen verbessert werden.As is well known, electrochemical deposition in extremely reduced size trenches and vias in a substantially void-free manner requires the introduction of sophisticated electroplating techniques which require a highly complex electrolytic solution. Thus, a number of additives, such as precipitation suppressors, accelerators, complexing agents, and the like are used in typical electrolyte solutions, which to some extent also remain in the metal after deposition, thus also affecting the resulting inherent conductivity of the metal line. Furthermore, the presence of contaminants in the metal and / or the existence of a plurality of grain boundaries may also exert an influence on the electrical and stress migration behavior, as grain boundaries and / or the contaminants will affect the properties of interfaces between the metal and adjacent materials, such as a diffusion barrier for copper, can influence. Furthermore, the grain boundaries can directly influence the stress-induced material transport, as is the case with aluminum, for example. Thus, by modifying the crystal structure of the metal and / or reducing the amount of contaminants, the overall performance of the metal lines can be improved.
Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit kupferbasierten Metallisierungsschichten ist, da diese Strukturen typischerweise mittels des Damaszener-Prozesses unter Anwendung elektrochemischer Abscheidetechniken hergestellt werden, wodurch eine große Anzahl von kleinen Körnern erzeugt wird und Kontaminationsstoffe des Elektrolyts eingebaut werden. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf Metallleitungen angewendet werden, die aus anderen geeigneten Materialien, etwa Aluminium, gebildet sind, und somit sollte die vorliegende Erfindung nicht auf kupferbasierte Metallisierungsschichten eingeschränkt erachtet werden, sofern derartige Einschränkungen nicht explizit in den angefügten Patentansprüchen dargelegt sind.It should be noted that the present invention is particularly advantageous in the context of copper-based metallization layers, as these structures are typically made by the damascene process using electrochemical deposition techniques, thereby producing a large number of small grains and incorporating contaminants of the electrolyte. However, the present invention may also be applied to metal lines formed of other suitable materials, such as aluminum, and thus the present invention should not be considered as limited to copper-based metallization layers, unless such limitations are explicitly set forth in the appended claims.
Mit Bezug zu den
Die Metallleitungen
Das Halbleiterbauelement
Unabhängig von der Prozesssequenz zur Herstellung der Metallleitungen
Während des Betriebs des Systems
In einigen Ausführungsformen kann die Ausdehnung der lokal beschränkten Heizzone
In einer anschaulichen Ausführungsform kann die Wärmebehandlung mit einer bewegten, lokal beschränkten Heizzone, wie sie beispielsweise durch den Strahlfleck
In noch weiteren Ausführungsformen kann die Wärmebehandlung einen weiteren Schritt beinhalten, in welchem die Metallleitungen
In noch weiteren Ausführungsformen kann die Heizquelle Wärme durch Strahlung übertragen. In diesem Falle kann die Heizquelle
Während des Betriebs der Heizquelle
Mit Bezug zu den
Das in
Erfindungsgemäß wird die z. B. richtungsabhängige Wärmebehandlung ausgeführt, nachdem eine gewisse Menge an Metall in die Leitungen
Somit kann die kristalline Struktur der Metallschicht
Gemäß anderer anschaulicher Ausführungsformen kann die Wärmebehandlung
In noch weiteren Ausführungsformen kann während des Einfüllens von Metall in die Leitungen
In anderen Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht
Wie zuvor mit Bezug zu den
Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt eine Technik bereit, die die Ausbildung von Metallleitungen mit verbesserten elektrischen Verhaltenseigenschaften ermöglicht, indem das Metall mit einer verbesserten Reinheit bereitgestellt wird und/oder die Kristallstruktur des Metalls modifiziert wird. Die Modifizierung der Kristallstruktur kann auf der Grundlage einer Wärmebehandlung ausgeführt werden, zu der das Ausheizen einer lokal beschränkten Zone gehört, wobei die lokal erwärmte Zone entlang einer Längsrichtung der Metallleitung geführt wird, um damit die Anzahl von Korngrenzen in dieser Richtung zu reduzieren. Des weiteren kann die Wärmebehandlung mit lokalisierten Heizzonen, die entlang der Längsrichtung geführt werden, effizient mit einer Wärmebehandlung in einer subatmosphärischen Umgebung, einer Vakuumumgebung und einer reduzierenden Umgebung kombiniert werden, um damit das Ausgasen von Kontaminationsstoffen in den Metallleitungen zu fördern. In speziellen Ausführungsformen kann eine Vakuumumgebung während einer ersten Phase der Wärmebehandlung hergestellt werden und eine reduzierende Umgebung kann in einer zweiten abschließenden Phase der Wärmebehandlung hergestellt werden, wobei diese Wärmebehandlung, die mindestens zwei dieser Umgebungen mit einschließt, ohne eine gerichtete Zonenerwärmung ausgeführt werden kann, oder mit einer gerichteten Zonenerwärmung kombiniert werden kann. Dabei kann die Zonenerwärmung zumindest teilweise durchgeführt werden, wenn die Vakuumumgebung eingerichtet ist und/oder wenn die reduzierende Umgebung zumindest teilweise hergestellt ist. Als Folge davon kann die Widerstandsfähigkeit gegen Elektro- und Stressmigration und andere durch Belastung hervorgerufne Materialtransportphänomene in Metallleitungen verbessert werden, wodurch auch die Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen mit Metallisierungsschichten gesteigert wird.Thus, the present invention provides a technique that enables the formation of metal lines with improved electrical performance characteristics by providing the metal with improved purity and / or modifying the crystal structure of the metal. The modification of the crystal structure may be carried out on the basis of a heat treatment including annealing a locally restricted zone, the locally heated zone being guided along a longitudinal direction of the metal line so as to reduce the number of grain boundaries in that direction. Furthermore, the heat treatment with localized heating zones routed along the longitudinal direction can be efficiently combined with a heat treatment in a subatmospheric environment, a vacuum environment, and a reducing environment to promote the outgassing of contaminants in the metal lines. In particular embodiments, a vacuum environment may be prepared during a first phase of the heat treatment, and a reducing environment may be prepared in a second final phase of the heat treatment, wherein this heat treatment including at least two of these environments may be carried out without directional zone heating, or can be combined with a directional zone heating. In this case, the zone heating can be carried out at least partially if the vacuum environment is established and / or if the reducing environment is at least partially established. As a result, the resistance to electrical and stress migration and other load-induced material transport phenomena in metal lines can be improved, thereby also increasing the reliability of semiconductor devices with metallization layers.
Claims (6)
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