DE102005034182A1 - Halbleitervorrichtung und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Halbleitervorrichtung vorgeschlagen, die bezüglich ihrer Anzahl an Grenzflächen, welche einen Migrationsweg für Lunker bilden, deutlich reduziert ist und daraus folgend in der Lage ist, SIV-Defekte wirksam zu unterdrücken und die Zuverlässigkeit anzuheben. Die Kupferkorngröße ist mit mehreren 10 mum an der oberen Oberfläche der zweiten Kupfer-Verbindung 110 und der zweiten Kupfer-Verbindung 126, die eine relativ breite Breite haben, sehr groß. Weil die zweite Kupfer-Verbindung 110 und die zweite Kupfer-Verbindung 126 eine Leitungsbreite von 0,3 mum bis mehrere 10 mum haben, gibt es nur wenige Grenzflächen an den oberen Oberflächen der zweiten Kupfer-Verbindung 110 und der zweiten Kupferverbindung 126. Die beträchtliche Verringerung der Grenzflächen, die als Migrationsweg für Lunker dienen können, macht es möglich, dass verhindert wird, dass Lunker sich an den Grenzflächen zwischen einem Kontaktloch 113 und jeder der zweiten Kupfer-Verbindungen 110 und 126 konzentrieren oder kombinieren und unterdrückt dabei die Ausbildung von großen Lunkern. Dies hat zur Folge, dass es möglich wird, die Erzeugung von SIV wirksam zu unterdrücken. Die erste Kupfer-Verbindung 111 und die erste Kupfer-Verbindung 127, die eine relativ enge Breite haben, haben eine Oberflächenorientierung, die im Prinzip aus Cu(111) im Hinblick auf die Verbesserung des EM-Widerstandes besteht, und die zweite Kupfer-Verbindung 110 und 126 mit der relativ breiten Breite haben eine ...

Description

  • Die vorliegende Erfindung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-229779, deren Inhalt als Referenz hier enthalten ist.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • [Erfindungsgebiet]
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit Kupfer-Verbindungen und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
  • [Beschreibung des Standes der Technik]
  • In Halbleitervorrichtungen wird in breitem Umfang als Antwort auf die Anforderungen an schnelleren Betrieb der Vorrichtungen eine Cu-Schaltverbindung verwendet. Beispiele für Halbleitervorrichtungen, die mehrschichtige Kupfer-Verbindungsstrukturen haben, sind anderswo in früheren Patenten beschrieben (japanische offengelegte Patentveröffentlichung 2001-68475 und US-PS 6,291,885).
  • 10A zeigt die Struktur einer herkömmlichen Cu-Schaltverbindung und 10B zeigt eine beispielhafte Oberflächenausrichtung der Cu-Schaltverbindung dieser Struktur. Die 10A und 10B sind Schnittansichten, die die Struktur einer Kupfer-Verbindung schematisch zeigen. Das Höhe-Breite-Verhältnis ist daher für die Zweckmäßigkeit der Erläuterung modifiziert, wobei die seitliche Richtung verlängert ist. Wie in der 10A gezeigt, sind auf einem Siliziumsubstrat 11 nacheinander ein Ätzstoppfilm 12 und ein die Schaltverbindung isolierender Zwischenisolierfilm 13 ausgebildet. Teile des Ätzstoppfilms 12 und des die Schaltverbindung isolierenden Zwischenisolierfilms 13 sind entfernt, an der Position des Entfernens ist ein Barrieremetall 15, das eine Cu-Diffusion verhindert, ausgebildet und auf dem Barrieremetall 15 ist eine Cu-Schaltverbindung 16 ausgebildet. Anzumerken ist, dass eine Kontaktlochschicht auf der Cu-Schaltverbindung 16, eine Cu-Schaltverbindungsschicht, die kontinuierlich auf der Kontaktlochschicht ausgebildet ist und eine Kontaktlochschicht, die unter der Cu-Schaltverbindung vorgesehen sind, nicht dargestellt sind.
  • Ein beispielhafter Vorgang zur Herstellung einer herkömmlichen einzelnen Damascene-Cu-Schaltverbindungsstruktur wird anhand der 11A bis 11E beschrieben.
  • Zunächst wird auf dem Siliziumsubstrat 11 der Ätzstoppfilm 12, der für das Ausbilden des Verbindungsgrabens verwendet wird, gebildet, der typischerweise aus SiN, SiC oder SiCN besteht. Als Nächstes wird auf dem Ätzstoppfilm 12 der die Schaltverbindung isolierende Zwischenisolierfilm 13 ausgebildet. In einigen Fällen, wo für den die Schaltverbindung isolierenden Zwischenisolierfilm 13 ein Low-k-Film verwendet wird, kann eine harte Maske, bestehend aus SiN oder SiO2 darauf ausgebildet sein. Als Nächstes wird in dem die Schaltverbindung isolierenden Zwischenisolierfilm 13 ein Verbindungsgraben 14 ausgebildet, wobei eine Fotolithografietechnik und eine Ätztechnik verwendet werden (11A).
  • Als Nächstes wird typischerweise unter Verwendung einer PVD-Technik der Barrieremetallfilm 14, der typischerweise aus Ta/TaN besteht, in dem Verbindungsgraben 14 ausgebildet und es wird ein Cu-Film ausgebildet. Als Nächstes wird Cu unter Verwendung einer Elektroplattiertechnik plattiert, um dadurch den Verbindungsgraben 14 mit Cu auszufüllen und der plattierte Film wird dann bei einer Temperatur von 150 °C oder darüber für das Kornwachstum getempert. Als Nächstes wird eine Cu-Schaltverbindung 16 typischerweise unter Verwendung einer CMP-Technik ausgebildet (11B).
  • Als Nächstes wird auf der Cu-Schaltverbindung 16 üblicherweise unter Verwendung einer CVD-Technik ein Barrierefilm 17, der üblicherweise aus SiN, SiC, SiCN oder dergleichen besteht, ausgebildet, der die Cu-Diffusion verhindert. Dann wird ein ein Kontaktloch isolierender Zwischenisolierfilm 18 ausgebildet. Nach der Ausbildung des das Kontaktloch isolierenden Zwischenisolierfilms 18 wird in diesem ein Kontaktloch 19 mittels einer Fotolithografietechnik und einer Ätztechnik ausgebildet (11C).
  • Als Nächstes wird ein Barrieremetallfilm 22, üblicherweise bestehend aus Ta/TaN, in dem Kontaktloch 19 mittels einer PVD-Technik ausgebildet und dann wird ein Cu-Film ausgebildet. Als Nächstes wird der Graben mit Cu durch Cu-Elektroplattieren gefüllt, der plattierte Film wird getempert und dann einer CMP unterzogen, um dadurch ein Kontaktloch 21 zu bilden (11D).
  • Die Wiederholung der in den 11A bis 11B gezeigten Vorgänge führt zur Ausbildung der dritten Kupferschaltverbindungsschicht, um dadurch Cu-Schaltverbindungen zu bilden, die eine einzige Damascene-Struktur haben (11E).
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die herkömmliche Kupfer-Verbindungsstruktur kann jedoch ein Phänomen, den durch Beanspruchung hervorgerufenen Lunker, hervorrufen (im Nachfolgenden als SIV bezeichnet), von dem gefordert wird, dass er unterdrückt wird. SIV ist ein Phänomen der Ausbildung von großen Lunkern bzw. Fehlstellen und tritt wahrscheinlicher insbesondere in der Nähe der Grenzfläche zwischen der Kupfer-Verbindung und dem Kontaktloch auf, das sich an deren Oberseite anschließt. Die Erzeugung von SIV führt unerwünschterweise zu einem Kontaktausfall oder einer Erhöhung des Verbindungswiderstandes und verschlechtert beträchtlich die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung.
    •
  • Um das Auftreten von SIV zu unterdrücken, haben die vorliegenden Erfinder gründliche Untersuchungen des Mechanismus der SIV-Erzeugung durchgeführt und die folgende Folgerung erreicht. Die Lunker, die in der Kupfer-Verbindung erzeugt sind, können entlang der Grenze migrieren. Jegliche Belastung, mit der die Kupfer-Verbindung beaufschlagt ist, kann daher eine Migration der Lunker in Richtung auf spezifische Bereiche in der Kupferschaltverbindung in Abhängigkeit von einem Belastungsverteilungsprofil hervorrufen. In der Kupfer-Verbindungsstruktur sind die Lunker demgemäß in der Nähe der Grenzfläche zwischen der Kupfer-Verbindung und dem Kontaktloch, das sich an deren Oberseite anschließt, konzentriert und kombiniert, um dadurch große Lunker zu bilden. Dies ist ein angenommener Mechanismus der SIV-Erzeugung.
  • Die Untersuchungen der vorliegenden Erfinder offenbarten, dass Cu-Korn der Cu-(111)-Ausrichtung in dem herkömmlichen Kupfer reichlich vorhanden war. Das Korn mit dieser Oberflächenausrichtung hat eine relativ kleine Größe und daraus folgend eine relativ große Anzahl von Grenzflächen an der Oberseite der Kupfer-Verbindung. Dies erlaubt, dass Lunker entlang der Grenzen wandern, um die Nähe der Grenzfläche zwischen der Schaltverbindung und dem Kontaktloch zu erreichen, woraus SIV resultiert. Die vorliegenden Erfinder haben somit geplant, SIV dadurch zu unterdrücken, dass die Korngröße erhöht und die Grenzen reduziert werden, um dadurch die Konzentration und Kombination von Lunkern zu unterbinden. Im Folgenden wird eine Konfiguration der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Halbleitervorrichtung geschaffen mit einem Halbleitersubstrat; einem Isolierfilm, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist; und einer Anzahl von Kupfer-Verbindungen, die auf der gleichen Höhe in dem Isolierfilm ausgebildet sind; wobei die Kupfer-Verbindung eine erste Kupfer-Verbindung mit einer relativ schmalen Breite; und eine zweite Kupfer-Verbindung mit einer relativ großen Breite aufweist; die erste Kupfer-Verbindung eine Oberseite hat, die prinzipiell aus einer (111)-Oberfläche von Kupfer besteht und die zweite Kupfer-Verbindung eine Oberfläche hat, die prinzipiell aus einer (200)-Oberfläche von Kupfer besteht.
  • Bei der vorliegenden Erfindung ist die obere Fläche der zweiten Kupfer-Verbindung durch eine (200)-Oberfläche von Kupfer konfiguriert, die großes Korn frei legt und daher eine kleinere Anzahl von Grenzen (Korngrenzen) hat. Kupferkorn mit einer (200)- Oberfläche an der oberen Fläche desselben hat typischerweise eine Korngröße von ungefähr mehreren 10 μm. D.h., dass in der Richtung der Leitungsbreite weit gehend keine Grenze gefunden werden kann, weil die Breite der Kupfer-Verbindung im Allgemeinen nur ungefähr 0,1 μm bis mehrere 10 μm breit ist. Wie aus dem Vorstehenden klar zu ersehen ist, ist die vorliegende Erfindung bei der kennzeichnenden Verringerung der Korngrenzen, die als Migrationweg für die Lunker dienen können, erfolgreich und daher kann die Erzeugung von SIV wirksam unterdrückt werden. Die vorliegende Erfindung kann auch wirksam die Elektromigration unterdrücken, weil die obere Fläche der ersten Kupfer-Verbindung durch eine (111)-Oberfläche von Kupfer mit einer großen Dichte konfiguriert ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung geschaffen, mit: Erzielen eines Halbleitersubstrats und Ausbilden eines Isolierfilms auf demselben; selektives Entfernen des Isolierfilms, um einen ersten Verbindungsgraben zu bilden, der eine relativ enge Breite hat, und eines zweiten Verbindungsgrabens, der eine relativ große Breite hat; Ausbilden mit einem durch einen Zerstäubungsvorgang unter Verwendung eines Ta-Ziels eines Ta-Films auf der Innenwand des ersten Verbindungsgrabens und Ausbilden eines TaN-Films auf der Innenwand des zweiten Verbindungsgrabens in einer Stickstoffatmosphäre ohne Anlegen einer Substratvorspannung,; Ausbilden eines Kupferfilms durch ein Plattierverfahren, um den ersten Verbindungsgraben und den zweiten Verbindungsgraben zu füllen; und Tempern des Kupferfilms und Entfernen von Teilen des Kupferfilms, die außerhalb des Verbindungsgrabens ausgebildet sind, um dadurch eine erste Kupfer-Verbindung in dem ersten Verbindungsgraben und eine zweite Kupfer-Verbindung in dem zweiten Verbindungsgraben auszubilden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es ermöglicht worden, durch einen einzigen Vorgang auf der Innenwand des ersten Verbindungsgrabens einen Ta-Film und auf der Innenwand des zweiten Verbindungsgrabens einen TaN-Film auszubilden, indem die Filme durch einen Zerstäubungsvorgang in einer Stickstoffatmosphäre ohne Anlegen einer Substratvorspannung ausgebildet werden. Der Ta-Film hat wahrscheinlicher eine (111)-Oberfläche aus Kupfer aufgewachsen und der TaN-Film hat wahrscheinlicher eine (200)-Oberfläche aus Kupfer aufgewachsen. Dadurch wird es möglich, die vorstehend beschriebene Kupfer-Verbindungsstruktur stabil zu erzielen. Anders ausgedrückt, es ist ermöglicht worden, eine Struktur stabil zu erzeugen, bei der auf dem Verbindungsgraben mit enger Weite ein (111)-orientierter Kupferfilm vorgesehen ist und auf dem Verbindungsgraben mit großer Breite ein (200)-orientierter Kupferfilm ausgebildet ist.
  • Bei der vorliegenden Erfindung bedeutet das (111)-orientierte Kupfer Kupfer mit einer Oberflächenorientierung von (111) an seiner oberen Oberfläche und das (200)-orientierte Kupfer bedeutet Kupfer mit einer Oberflächenorientierung von (200) an seiner oberen Oberfläche.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung geschaffen, mit: Erzielen eines Halbleitersubstrats und Ausbilden auf demselben eines Isolierfilms; selektives Entfernen des Isolierfilms, um einen ersten Verbindungsgraben mit einer relativ engen Weite und einen zweiten Verbindungsgraben mit einer relativ großen Weite zu bilden; Ausbilden eines plattierten Films durch einen Plattierschritt auf der gesamten Region der oberen Oberfläche des Isolierfilms; und Tempern des plattierten Films und Entfernen von Teilen des plattierten Films, die außerhalb der Verbindungsgräben ausgebildet sind, um dadurch eine erste Kupfer-Verbindung in dem ersten Verbindungsgraben und eine zweite Kupfer-Verbindung in dem zweiten Verbindungsgraben zu bilden, wobei in dem Plattierschritt ein erster Kupferfilm in den ersten Verbindungsgraben mit einer relativ langsamen Rate der Filmausbildung gefüllt wird und dann ein zweiter Kupferfilm in den zweiten Verbindungsgraben mit einer relativ schnellen Rate der Filmausbildung gefüllt wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich gemacht worden, in dem ersten Verbindungsgraben eine (111)-Oberfläche des Kupfers und in dem zweiten Verbindungsgraben eine (200)-Oberfläche des Kupfers in einem kontinuierlichen Vorgang zu erzeugen, indem der erste Verbindungsgraben mit dem ersten Kupferfilm in einer relativ langsamen Rate der Filmausbildung gefüllt wird und dann der zweite Verbindungsgraben mit dem zweiten Kupferfilm mit einer relativ schnellen Rate der Filmausbildung gefüllt wird. Dadurch wird es möglich, die vorstehend beschriebene Kupfer-Verbindungsstruktur stabil zu erhalten. Anders ausgedrückt, ist es möglich gemacht worden, eine Struktur stabil auszubilden, bei der in dem engen Verbindungsgraben ein (111)-orientierter Kupferfilm und in dem weiten Verbindungsgraben ein (200)-orientierter Kupferfilm vorgesehen ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich gemacht worden, die Korngrenzen, die als Migrationweg für die Lunker dienen können, merklich zu reduzieren, um die Erzeugung von SIV-Ausfall wirksam zu unterdrücken und um eine hochzuverlässige Halbleitervorrichtung zu schaffen.
    •
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung anhand der begleitenden Figuren im Einzelnen hervor, in welchen zeigt:
  • 1A und 1B Schnittansichten, die die Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform schematisch zeigen;
  • 2A bis 2C Schnittansichten, die schematisch Herstellungsschritte einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigen;
  • 3A bis 3D Schnittansichten, die schematisch Herstellungsschritte einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigen;
  • 4A bis 4C Schnittansichten, die schematisch Herstellungsschritte einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigen;
  • 5A bis 5C Schnittansichten, die Herstellungsschritte einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigen;
  • 6A bis 6C Schnittansichten, die Herstellungsschritte einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigen;
  • 7a bis 7D Schnittansichten, die Herstellungsschritte einer Halbleitervorrichtung einer Ausführungsform zeigen;
  • 8 eine Ansicht einer Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
  • 9 eine Ansicht einer Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
  • 10A und 10B Schnittansichten, die schematisch eine Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß dem Stand der Technik zeigen; und
  • 11A bis 11E Schnittansichten, die Herstellungsschritte einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Stand der Technik schematisch zeigen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die veranschaulichenden Ausführungsformen beschrieben. Der Fachmann kann erkennen, dass viele alternative Ausführungsformen unter Verwendung der Lehre der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können und dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen begrenzt ist, die zu erläuternden Zwecken dargestellt sind.
  • In den folgenden Absätzen werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben. In allen Zeichnungen sind alle ähnlichen Komponenten mit ähnlichen Bezugsziffern bezeichnet, deren Erläuterung der Zweckmäßigkeit halber weggelassen worden ist. Es ist auch anzumerken, dass die Oberflächenorientierung im Kontext der unten stehenden Ausführungsformen als die Oberflächenorientierung der oberen Oberfläche der Kupfer-Verbindung definiert ist. Ebenfalls ist anzumerken, dass tatsächlich eine große Anzahl von Kupfer-Verbindungen vorgesehen sind, obwohl nur zwei Kupfer-Verbindungen pro einzelnem Zwischenisolierfilm in den unten stehenden Ausführungsformen dargestellt sind.
  • Erste Ausführungsform
  • 1A ist eine Ansicht im Schnitt zur Erläuterung der Struktur einer Halbleitervorrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform und 1B ist eine Ansicht im Schnitt zur Erläuterung der Oberflächenorientierung der Kupfer-Verbindung der Halbleitervorrichtung 100.
  • Wie in der 1A gezeigt, hat die Halbleitervorrichtung 100 eine einzelne Damascene-Struktur, in welcher eine mehrschichtige Kupfer-Verbindung aus ersten bis dritten Schichten zusammengesetzt, auf einem Halbleitersubstrat 102, wie beispielsweise einem Siliziumsubstrat, vorgesehen ist. Eine zweite Kupfer-Verbindung 110 und eine erste Kupfer-Verbindung 111 in der ersten Schicht sind durch einen zweiten Verbindungsgraben 103 und einen ersten Verbindungsgraben 105 konfiguriert, der in dem Zwischenisolierfilm 108 auf einem Ätzstoppfilm 104 vorgesehen ist, in welchen ein Kupferfilm eingefüllt ist. Zwischen dem Zwischenisolierfilm 108 und der ersten Kupfer-Verbindung ist ein Barrieremetall 107, das eine Cu-Diffusion verhindert, platziert. Andererseits ist ein Barrieremetall 106, das die Cu-Diffusion verhindert, zwischen dem Zwischenisolierfilm 108 und der zweiten Kupfer-Verbindung 110 platziert. Die zweite Kupfer-Verbindung 110 hat an ihrem oberen Teil ein Kontaktloch, das einen Teil der mit dieser verbundenen zweiten Schicht bildet. Die dritte Schicht ist ähnliche wie die erste Schicht strukturiert und auf der zweiten Schicht konfiguriert. Die zweite Kupfer-Verbindung 126 in der dritten Schicht hat an ihrem unteren Teil ein Kontaktloch 113 angeschlossen. Die zweite Kupfer-Verbindung 110 und die erste Kupfer-Verbindung 111 sind auf der gleichen Höhe in dem Zwischenisolierfilm 108 vorgesehen.
  • Der Ätzstoppfilm 104 hat die Funktion, an ihm das Ätzen des Verbindungsgrabens daran zu beenden und besteht typischerweise aus SiN, SiC, SiCN SiON usw.
  • Der Zwischenisolierfilm 108 besteht typischerweise aus einem SiO2-Film oder Filmen aus Low-k-Materialien, wie beispielsweise SiOF, SiOC und MSQ (Methylsilsesquioxan).
  • Das Barrieremetall 106 und das Barrieremetall 120 sind durch einen TaN-Film konfiguriert und jeweils so ausgebildet, dass sie die Innenwand des zweiten Verbindungsgrabens 103 und die Innenwand des zweiten Verbindungsgrabens 125 abdecken. Auf dem Barrieremetall 106 und dem Barrieremetall 120 ist jeweils die zweite Kupfer-Verbindung 110 und die zweite Kupfer-Verbindung 126 ausgebildet.
  • Die vorliegende Erfindung ist es, die erste Kupfer-Verbindung, die eine relativ kleine Breite hat, so zu konfigurieren, dass sie prinzipiell eine (111)-Oberfläche aus Kupfer an ihrer oberen Oberfläche hat, und die zweite Kupfer-Verbindung, die eine relativ weite Breite hat, so zu konfigurieren, dass sie prinzipiell eine (200)-Oberfläche aus Kupfer an ihrer oberen Oberfläche hat. Die zweite Kupfer-Verbindung 110 und die zweite Kupfer-Verbindung 126 entsprechen in dieser Ausführungsform der oben beschriebenen Schaltverbindung mit breiter Breite und die erste Kupfer-Verbindung 111 und die erste Kupfer-Verbindung 127 entsprechen der vorstehend beschriebenen Schaltverbindung mit enger Breite.
  • Die zweite Kupfer-Verbindung 110 und die zweite Kupfer-Verbindung 126 erfüllen die unten stehenden Bedingungen. Es wird hier angenommen, dass der Durchmesser des Kontaktloches 113r ist, die Breite der zweiten Kupfer-Verbindung 110 und der zweiten Kupfer-Verbindung 126D ist und die Höhe der zweiten Kupfer-Verbindung 110 und der zweiten Kupfer-Verbindung 126C ist, wobei C/D als das Höhe-Breite-Verhältnis definiert sind:
    • (i) Leitungsbreite D = 0,3 μm oder größer;
    • (ii) 3r<D; und
    • (iii) C/D<0,5.
  • Andererseits erfüllen die erste Kupfer-Verbindung 111 und die erste Kupfer-Verbindung 127 die unten stehende Bedingung:
    • (i) Leitungsbreite ist kleiner als 0,3 μm.
  • Die Oberflächenorientierung von Cu der jeweiligen oberen Oberflächen der zweiten Kupfer-Verbindung 110, der ersten Kupfer-Verbindung 111, der zweiten Kupfer-Verbindung 126 und der ersten Kupfer-Verbindung 127 können unter Verwendung einer EBSP-(Electron Back Scattering Pattern)-Technik analysiert werden.
  • Das Barrieremetall 107 und das Barrieremetall 121 sind durch einen Ta-Film konfiguriert und sind so ausgebildet, dass sie die Innenwand des ersten Verbindungsgrabens 105 bzw. die Innenwand des ersten Verbindungsgrabens 129 abdecken. Auf dem Barrieremetall 107 und auf dem Barrieremetall 121 sind die erste Kupfer-Verbindung 111 und die erste Kupfer-Verbindung 127 ausgebildet.
  • Die obere Oberfläche der zweiten Kupfer-Verbindung 110 und die obere Oberfläche der zweiten Kupfer-Verbindung 126 haben Korn mit sehr großer Größe mit mehreren 10 μm frei liegen, während die zweite Kupfer-Verbindung 110, die eine Leitungsbreite von nur 0,3 μm bis mehreren 10 μm hat, nur ein Paar Grenzen in Richtung der Leitungsbreite zeigt. Dadurch wird es möglich, den SIV-Ausfall zu unterdrücken. Der SIV-Ausfall bezieht sich auf einen Leitungsausfall zwischen einem Kontaktloch und einer Schaltverbindung, der typischerweise auftritt, wenn Lunker durch Belastung in einer Kupfer-Verbindung mit breiter Breite (ungefähr dreimal so groß wie der Kontaktlochdurchmesser) entlang der Korngrenzen wandern, um sich direkt unter dem Kontaktloch zu konzentrieren und miteinander zu vereinigen, um dadurch große Lunker zu bilden. Kupfer mit einer Oberflächenorientierung von (200) wird daher hierbei als Kupfer mit einer großen Korngröße und weniger Grenzen verwendet, so dass die obere Oberfläche der Kupfer-Verbindung 110 und die obere Oberfläche der zweiten Kupfer-Verbindung 126 prinzipiell durch eine Cu-(200)-Oberfläche konfiguriert sind.
  • Die obere Oberfläche der ersten Kupfer-Verbindung 111 und die obere Oberfläche der ersten Kupfer-Verbindung 127 sind prinzipiell durch eine Cu-(111)-Oberfläche konfiguriert und die Größe der Cu-Körnchen, die die Schaltverbindung bilden, ist 0,1 μm oder darunter. Die Ebene (111) ist hierbei eine Oberflächenorientierung, die durch eine enge Packung von Atomen charakterisiert ist. Die erste Kupfer-Verbindung 111 und die erste Kupfer-Verbindung 127 haben, verglichen mit der Kupfer-Verbindung, die durch die Cu-(200)-Oberfläche oder dergleichen konfiguriert ist, daher eine größere Dichte. Dadurch wird es möglich, den Elektromigrationwiderstand zu verbessern.
  • Bezug nehmend auf die 2A bis 6C werden in den folgenden Absätzen die Verfahrensschritte zur Herstellung der Halbleitervorrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform beschrieben.
  • Zunächst wird der Ätzstoppfilm 104 auf dem Halbleitersubstrat 102 ausgebildet und weiterhin wird auf diesem der Zwischenisolierfilm 108 ausgebildet (2A). Darstellungen der Verfahrensschritte zur Herstellung von Transistoren auf dem Halbleitersubstrat sind weggelassen worden.
  • Als Nächstes werden der zweite Verbindungsgraben 103 mit einer relativ breiten Breite und der erste Verbindungsgraben 105 mit einer relativ kleinen Breite in dem Zwischenisolierfilm 108 unter Verwendung einer Fotolithografietechnik und einer Ätztechnik ausgebildet (2B).
  • Als Nächstes werden das Barrieremetall 106 (TaN-Film) und das Barrieremetall 107 (Ta-Film) auf dem Zwischenisolierfilm 108 auf der Innenwand des zweiten Verbindungsgrabens 103 und auf der Innenwand des ersten Verbindungsgrabens 105 ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform wird Zerstäubung als Verfahren zur Ausbildung der Filme verwendet und die Filmausbildung erfolgt unter Verwendung eines Ta-Ziels in einer Stickstoffgasatmosphäre. Als Nächstes wird eine Kupferkeimschicht (nicht dargestellt) ausgebildet. Das Barrieremetall 106 und das Barrieremetall 107 werden hierbei ohne Anlegen einer Vorspannung an das Halbleitersubstrat 102 ausgebildet. Gemäß der Feststellung der vorliegenden Erfinder bewirkt die Abwesenheit einer Substratvorspannung, dass Stickstoff weniger wahrscheinlich in den ersten Verbindungsgraben 105 eintritt, der eine relativ enge Weite hat, so dass das Barrieremetall 107, das im ersten Verbindungsgraben 105 ausgebildet wird, prinzipiell durch einen Ta-Film konfiguriert ist. Andererseits tritt Stickstoff wahrscheinlicher in dem zweiten Verbindungsgraben 104 mit einer relativ breiten Breite, verglichen mit dem ersten Verbindungsgraben 105, ein, so dass das Barrieremetall 106, das in dem zweiten Verbindungsgraben 103 ausgebildet ist, prinzipiell durch einen Ta-Film konfiguriert ist (2C). Untersuchungen der vorliegenden Erfinder ergaben, dass der Ta-Film eine starke Tendenz hat, das Aufwachsen eines (111)-orientierten Kupferfilms darauf zuzulassen. Die vorliegenden Erfinder haben auch durch die Untersuchungen herausgefunden, dass auf dem Barrieremetall 106, das prinzipiell durch den TaN-Film konfiguriert ist, der Kupferfilm, welcher durch einen Plattiervorgang usw. ausgebildet wird, wahrscheinlich durch Tempern eine Oberflächenorientierung von (200) hat. Dies wird angenommen, da der TaN-Film nahezu amorph ist, so dass der darauf ausgebildete Kupferfilm auch amorph wird, d.h., dass der Kupferfilm, der möglicherweise später umgewandelt wird, um, nachdem er getempert worden ist, eine Oberflächenorientierung von (200) zu haben, einfacher hergestellt werden kann.
  • Als Nächstes wird Kupfer über die gesamte Oberfläche des Zwischenisolierfilms 108 plattiert und auf dem Barrieremetall 106 und dem Barrieremetall 107 durch Elektroplattieren plattiert. Bei dieser Ausführungsform wird Kupfer anfänglich unter Anlegen eines niederen Stroms für eine relativ lange Zeitdauer plattiert, dann findet das Gegenätzen des Kupferfilms unter einer Stromzufuhr in der entgegengesetzten Richtung zu der des niederen Stroms statt und dann erfolgt ein Abschalten von Kupfer durch Plattieren unter einem hohen Strom für eine relativ kurze Zeitdauer.
  • Bei dieser Ausführungsform wird ein niedriger Strom, der ungefähr ein Ampere klein ist, für ungefähr 110 Sekunden angelegt. Ein erster Kupferfilm 144 wird somit in den ersten Verbindungsgraben 105 enger Breite eingefüllt. Der zweite Verbindungsgraben mit weiter Weite hat bei diesem Vorgang einen dünnen plattierten Film aus einem Kupferfilm 142 auf seinem Oberflächenteil ausgebildet, aber wird nie vollständig gefüllt (3A). Als Nächstes wird ein Strom, der 6,32 A groß ist, für ungefähr 1,5 Sekunden in der Gegenrichtung zum niedrigen Strom angelegt, um dadurch ein Gegenätzen zu bewirken. Als Nächstes wird ein hoher Strom von ungefähr 30 A für 13 Sekunden in der gleichen Richtung wie der niedrige Strom angelegt. Dies führt zu einem vollständigen Ausfüllen des zweiten Verbindungsgrabens 103 großer Breite mit einem zweiten Kupferfilm 143 (3B). Das anfänglich durchgeführte Plattieren, das unter Verwendung eines niedrigen Stromes bei einer relativ langsamen Rate der Filmausbildung durchgeführt worden ist, ist bei der Ausbildung des ersten Kupferfilms 144 wahrscheinlich erfolgreich, um nach dem Tempern in dem ersten Verbindungsgraben 105 eine Oberflächenorientierung von (111) zu haben. Das darauf folgende Plattieren unter Verwendung eines hohen Stroms mit einer relativ schnellen Rate der Filmausbildung ist erfolgreich für das Füllen des zweiten Verbindungsgrabens 103 mit dem zweiten Kupferfilm 143. Bei diesem Vorgang hat der zweite Kupferfilm 143 infolge seiner schnellen Filmausbildungsrate weniger wahrscheinlich Verunreinigungen inkorporiert. Dadurch wird es möglich, nach dem Tempern einen Kupferfilm mit einer erhöhten Korngröße und wahrscheinlich einer Oberflächenorientierung von (200) zu bilden. Der Vergleich zwischen einem akkumulierten Wert des Stromes während der Niedrigstromzufuhr und einem akkumulierten Wert des Stromes während der Niedrigstromversorgung und einem akkumulierten Werte des Stromes während der Hochstromversorgung offenbart, dass letzterer größer ist. Hierbei ist anzumerken, dass der akkumulierte Wert des Stroms ein Produkt aus Stromwert und Zeitdauer der Stromzufuhr bedeutet.
  • Als Nächstes wird der zweite Kupferfilm 143 bei einer Temperatur von 150 °C oder darüber getempert, um dadurch die Körner wachsen zu lassen und die obere Oberfläche desselben in eine Oberflächenorientierung (200) umzuwandeln. Dies hat zur Folge, dass die obere Oberfläche des zweiten Kupferfilms 143, der den zweiten Verbindungsgraben 103 ausfüllt, riesiges Korn mit einer Größe von mehreren 10 μm hat. Der zweite Kupferfilm 143 hat daher nur wenige Grenzflächen. Als Nächstes werden Teile des Kupferfilms, die außerhalb des zweiten Verbindungsgrabens 103 und des ersten Verbindungsgrabens 105 ausgebildet sind, durch CMP entfernt. Die zweite Kupfer-Verbindung 111 und die erste Kupfer-Verbindung 111 sind somit ausgebildet (3C). Die zweite Kupfer-Verbindung 110 hat nur ein paar Grenzflächen in Richtung der Leitungsbreite, weil Kupfer, welches die obere Oberfläche der zweiten Kupfer-Verbindung 110 bildet, riesiges Korn mit einer Korngröße von mehreren 10 μm hat.
  • Als Nächstes wird der Ätzstoppfilm 112 ausgebildet und weiterhin wird auf diesem ein das Kontaktloch isolierende Zwischenisolierfilm 116 ausgebildet (3D).
  • Als Nächstes wird in dem das Kontaktloch isolierenden Zwischenisolierfilm 116 unter Verwendung einer Fotolithografietechnik und einer Ätztechnik ein Kontaktloch 115 ausgebildet (4A).
  • Als Nächstes wird ein Barrieremetall 114, das im Prinzip aus einem Ta-Film besteht, in dem Kontaktloch 115 ausgebildet (4B). Bei dieser Ausführungsform wird als Verfahren zur Filmausbildung ein Zerstäubungsvorgang verwendet und die Filmausbildung wird unter Verwendung eines Ta-Ziels durchgeführt. Als Nächstes wird eine Cu-Keimschicht (nicht gezeigt) ausgebildet.
  • Als Nächstes wird ein Cu-Plattieren durch eine Elektroplattiertechnik durchgeführt, um dadurch das Kontaktloch 115 mit Kupfer auszufüllen, das Produkt wird getempert und dann weiter einer CMP unterzogen, um dadurch das Kontaktloch 113 zu bilden (4C). Nach dem Tempern hat die obere Oberfläche des Kupfers, welches das Kontaktloch 113 bildet, eine Oberflächenorientierung von im Prinzip (111).
  • Als Nächstes wird ein Ätzstoppfilm ausgebildet 118 ausgebildet und weiterhin wird auf diesem Zwischenisolierfilm 124 ausgebildet (5A).
  • Als Nächstes werden der zweite Verbindungsgraben 125 mit einer relativ weiten Weite und der erste Verbindungsgraben 129 mit einer relativ engen Weite in dem Zwischenisolierfilm 124 unter Verwendung einer Fotolithografietechnik und einer Ätztechnik ausgebildet (5B).
  • Als Nächstes werden ähnlich wie bei den Verfahrensschritten zur Ausbildung der ersten Schicht das Barrieremetall 120 (TaN-Film) und das Barrieremetall 121 (Ta-Film) auf dem Zwischenisolierfilm 124 auf der Innenwand des zweiten Verbindungsgrabens 125 und auf der Innenwand des ersten Verbindungsgrabens 129 ausgebildet. Ein hierbei verwendetes Verfahren zur Filmausbildung ist ein Zerstäubungsvorgang unter Verwendung eines Ta-Ziels, der in einer Stickstoffgasatmosphäre durchgeführt wird. Als Nächstes wird eine Kupferkeimschicht (nicht gezeigt) ausgebildet. Das Barrieremetall 120 und das Barrieremetall 121 werden hierbei ähnlich wie bei dem Herstellungsverfahren der ersten Schicht ohne Anlegen einer Vorspannung an das Halbleitersubstrat 102 ausgebildet (5C). Ähnlich wie im Fall der ersten Schicht ist das Barrieremetall 120, das in dem zweiten Verbindungsgraben 125 mit einer relativ breiten Weite ausgebildet ist, im Prinzip durch einen TaN-Film konfiguriert. Andererseits ist das Barrieremetall 121, das in dem ersten Verbindungsgraben 129 ausgebildet ist, der eine relative Länge und Breite hat, im Prinzip durch einen Ta-Film konfiguriert.
  • Als Nächstes wird unter Verwendung der Elektroplattiertechnik, ähnlich wie bei dem Herstellungsverfahren der ersten Schicht verwendeten, ein Kupferfilm 147, ein zweiter Kupferfilm 146 und ein erster Kupferfilm 148 ausgebildet (6A). Als Nächstes wird der Kupferfilm 146 bei einer Temperatur von 150 °C oder darüber getempert, um dadurch zu bewirken, dass das Korn wächst und um zu bewirken, dass an dessen oberer Oberfläche eine Oberflächenorientierung (200) erscheint. Als Nächstes werden die Teile des Kupferfilms, die außerhalb des zweiten Verbindungsgrabens 125 und des ersten Verbindungsgrabens 129 ausgebildet sind, durch CMP entfernt. Die zweite Kupfer-Verbindung 126, die eine relativ breitere Breite als die erste Kupfer-Verbindung 127 hat, und die erste Kupfer-Verbindung 127, die eine relativ engere Weite als die zweite Kupfer-Verbindung 126 hat, sind somit ausgebildet (6B). Die obere Oberfläche der zweiten Kupfer-Verbindung 126 hat hierbei riesiges Korn mit einer Korngröße von mehreren 10 μm. Die Breite der zweiten Kupfer-Verbindung beträgt 0,3 μm bis mehrere 10 μm. Die zweite Kupfer-Verbindung 126 hat daher nur wenige Grenzflächen in Richtung der Leiterbreite.
  • Als Nächstes wird auf dem Zwischenisolierfilm 124, der zweiten Kupfer-Verbindung 126 und der ersten Kupfer-Verbindung ein Ätzstoppfilm 128 ausgebildet (6C).
  • Die Vorgänge ergeben schließlich die Halbleitervorrichtung 100.
  • In den nächsten Absätzen werden Effekte der Halbleitervorrichtung 100 und des Verfahrens zur Herstellung derselben gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
  • Bei dieser Ausführungsform erscheinr Kupferkorn, das mit mehreren 10 μm sehr groß ist, an der oberen Oberfläche der zweiten Kupfer-Verbindung 110 und der zweiten Kupfer-Verbindung 126, die beide eine relativ breitere Breite haben. Weil jede der Kupfer-Verbindungen 110 und 126 eine Leiterbreite von 0,3 μm bis mehrere 10 μm hat, erscheinen nur wenige Grenzflächen an der oberen Oberfläche der zweiten Kupfer-Verbindung 110 und der zweiten Kupfer-Verbindung 126. Dies hat zur Folge, dass die Grenzflächen, die möglicherweise als Migrationweg für die Lunker dienen, bis zu einem merklichen Grad verringert sind, und ermöglicht, die Kondensation und Kombination von Lunkern an der Grenzfläche zwischen dem Kontaktloch 113 und jeder der zweiten Kupfer-Verbindungen 110 und 126 zu unterdrücken und verhindert dadurch, dass sich große Lunker bilden. Dies ist bei der wirksamen Unterdrückung von SIV erfolgreich.
  • Im Allgemeinen wird SIV-Ausfall als ein Problem für die zweite Kupfer-Verbindung 110 und die zweite Kupfer-Verbindung 126, die eine relativ breite Breite haben, erkannt, während Elektromigration anstatt des SIV-Ausfalls eine Angelegenheit der Signifikanz für die erste Kupfer-Verbindung 111 und die erste Kupfer-Verbindung 127 ist, die eine relativ enge Breite haben. Diese Ausführungsform kann diese Probleme, welche in der engen Breite und der breiten Breite der Kupfer-Verbindungen beruhen, gleichzeitig lösen. Genauer gesagt, wird bei dieser Ausführungsform die Kupfer-Verbindung mit der (200)-Orientierung in dem breiten Verbindungsgraben und die Kupfer-Verbindung mit der (111)-Orientierung in dem engen Verbindungsgraben ausgebildet.
  • Dadurch wird es möglich, den SIV-Ausfall in den breiten Kupfer-Verbindungen (der zweiten Kupfer-Verbindung 110 und der zweiten Kupfer-Verbindung 126) und die Elektromigration in den engen Kupfer-Verbindungen (der ersten Kupfer-Verbindung 111 und der ersten Kupfer-Verbindung 127) zu unterdrücken.
  • Bei dieser Ausführungsform wird das Barrieremetall 106 (TaN-Film) auf dem Zwischenisolierfilm 108 und auf der Innenwand des zweiten Verbindungsgrabens 103 und das Barrieremetall 107 (Ta-Film) auf dem Zwischenisolierfilm 108 und auf der Innenwand des ersten Verbindungsgrabens 105 gemeinsam in einem einzigen Herstellungsvorgang ohne Anlegen einer Vorspannung an das Halbleitersubstrat ausgebildet, und zwar unter Verwendung einer Zerstäubungstechnik als Verfahren zur Filmausbildung, wobei Ta als ein Ziel in einer Stickstoffgasatmosphäre verwendet wird. Gemäß den Ergebnissen der vorliegenden Erfinder tritt Stickstoff weniger wahrscheinlich in die relativ engen Verbindungsgräben (erster Verbindungsgraben 105 und erster Verbindungsgraben 129) ein, so dass das Barrieremetall 107 und das Barrieremetall 121, die aus Ta bestehen, leichter darin ausgebildet werden. Auf dem Ta-Film ist wahrscheinlicher ein (111)-orientierter Kupferfilm gewachsen und daraus folgend hat der Kupferfilm eine Oberflächenorientierung von (111), die nach dem Tempern gewachsen ist. Dadurch wird es möglich, die Elektromigration in die erste Kupfer-Verbindung 101 und die erste Kupfer-Verbindung 127 zu unterdrücken. Dies ist deshalb der Fall, weil die Kupfer-Verbindung aus Kupfer besteht, das eine hohe Dichte und die (111)-Orientierung hat, einen hohen Elektromigrationwiderstand zeigt. Andererseits ist es gemäß den Ergebnissen der vorliegenden Erfinder wahrscheinlicher, dass Stickstoff in die relativ breiten Verbindungsgräben (zweiten Verbindungsgraben 103 und zweiten Verbindungsgraben 125) eintritt, so dass das Barrieremetall 106 und das Barrieremetall 120 im Prinzip aus TaN bestehend leichter darin ausgebildet werden. Auf dem TaN-Film ist wahrscheinlicher ein (200)-orientierter Kupferfilm gewachsen. Weil der TaN-Film eine nahezu amorphe Kristallstruktur hat, wird angenommen, dass der darauf ausgebildete Kupferfilm wahrscheinlicher eine amorphe Struktur hat. Nach dem Tempern wird auf dem TaN-Film ein Kupferfilm mit einer Oberflächenorientierung von (200) ausgebildet. Dadurch wird es möglich, den SIV-Ausfall in den breiten Kupfer-Verbindungen (zweite Kupfer-Verbindung 110 und zweite Kupfer-Verbindung 126) zu unterdrücken. Dies ist deshalb der Fall, weil das Kupferkorn eine Größe von mehreren 10 μm hat, während die Leiterbreite nur so groß wie 0,3 μm bis mehrere 10 μm ist, wodurch nur wenige Grenzflächen in Richtung der Leiterbreite erzeugt werden.
  • Diese Ausführungsform verwendet auch eine Mehrschritt-Elektroplattiertechnik. Zunächst werden die engen Verbindungsgräben (erster Verbindungsgraben 105 und erster Verbindungsgraben 129) vollständig durch den ersten Kupferfilm 144 und den ersten Kupferfilm 148 durch das Niedrigstromplattieren versenkt und der Kupferfilm 142 und der Kupferfilm 147 werden nur mit einer kleinen Dicke auf den Oberflächenteilen der breiten Verbindungsgräben (zweiter Verbindungsgraben 103 und zweiter Verbindungsgraben 125) ausgebildet. Nach dem Gegenätzen für eine kurze Zeitdauer sind die relativ breiten Verbindungsgräben vollständig mit dem zweiten Kupferfilm 143 und dem zweiten Kupferfilm 146 durch das Hochstromplattieren vollständig gefüllt. Die anfängliche Verwendung des Niedrigstromplattierens ermöglicht es, den (111)-orientierten Kupferfilm in den engen Verbindungsgräben auszubilden. Die Plattierung unter Verwendung eines hohen Stromes und daher mit einer hohen Filmausbildungsrate bewirkt, dass Verunreinigungen weniger wahrscheinlicher inkorporiert werden. Die erwähnte Verunreinigung beziehen sich auf C (Kunststoff), S (Schwefel), O (Sauerstoff) usw., die in einem Gleichmacher, einem Träger usw. in einem Plattierbad enthalten sind. Diese Art der Filmausbildung macht es möglich, in den breiten Verbindungsgräben einen (200)-orientierten Kupferfilm auszubilden. Nachdem der zweite Kupferfilm 143 und der zweite Kupferfilm 146 ausgebildet sind, wird das Produkt getempert und weiterhin CMP unterzogen, um dadurch die Teile des Kupferfilms zu entfernen, die außerhalb der Verbindungsgräben ausgebildet sind. Die so hergestellte Halbleitervorrichtung unterdrückt erfolgreich Elektromigration in den engen Kupfer-Verbindungen (erste Kupfer-Verbindung 111 und erste Kupfer-Verbindung 127). Sie ermöglicht auch die Unterdrückung von SIV in den breiten Kupfer-Verbindungen (zweite Kupfer-Verbindung 110 und zweite Kupfer-Verbindung 126).
  • Zweite Ausführungsform
  • Die 7A bis 7D sind Ansichten im Schnitt zur Erläuterung eines beispielhaften Herstellungsverfahrens der Halbleitervorrichtung 100. Bei dieser Ausführungsform stimmen die Definitionen für die relativ breiten Verbindungsgräben, die relativ engen Verbindungsgräben, das Höhe-Breite-Verhältnis, den Kontaktlochdurchmesser und die Breite der relativ breiten Verbindungsgräben mit denjenigen der ersten Ausführungsform überein.
  • Zunächst wird nach dem Verfahrensschritt, der in der 2B der ersten Ausführungsform erläutert worden ist, ein Barrieremetall 136 (Ta-Film) auf dem Zwischenisolierfilm 108, auf der Innenwand des zweiten Verbindungsgrabens 103 und auf der Innenwand des ersten Verbindungsgrabens 105 ausgebildet. Diese Ausführungsform verwendet eine Zerstäubungstechnik als Verfahren zur Filmausbildung unter Verwendung eines Ta-Ziels in einer Stickstoffgasatmosphäre. Als Nächstes wird eine Keimschicht (nicht dargestellt) aus Kupfer ausgebildet. Als Nächstes werden auf der Keimschicht ein Kupferfilm 130 und Kupferfilm 139 durch eine Elektroplattiertechnik ausgebildet (7A). Der erste Verbindungsgraben 105 ist hierbei vollständig mit einem (111)-orientierten Kupferfilm 139 ausgefüllt. Andererseits ist der relativ breite zweite Verbindungsgraben 103 mit dem Kupferfilm 130 nur bis ungefähr zur Hälfte ausgefüllt. Die Dicke des Kupferfilms 130 in dem zweiten Verbindungsgraden 103 wird nun mit t1 angenommen.
  • Als Nächstes wird in einer Cu-Zerstäubungskammer mittels eines Vorspannungszerstäubungsvorganges eine Kupferschicht 132 ausgebildet. Diese Ausführungsform verwendet einen Zerstäubungsvorgang als ein Verfahren zur Filmausbildung, wobei die Filmausbildung unter Anlegen einer Vorspannung an das Halbleitersubstrat 102 erfolgt, so dass die Aufwachsoberfläche durch Argonionen bestrahlt wird. So wird auf dem Kupferfilm 130 die Kupferschicht 132 ausgebildet. Es wird nun angenommen, dass die Dicke der Kupferschicht 132 in dem Vorspannungszerstäubungsvorgang t2 ist, wobei die Vorspannungszerstäubung so durchgeführt wird, dass t2 größer als t1 ist. Anders ausgedrückt, die Kupferschicht 132 ist so ausgebildet, dass t2 > t1 erhalten wird (7B).
  • Als Nächstes werden die Kupferschicht 132 und der Kupferfilm 130, die durch den Vorspannungszerstäubungsvorgang ausgebildet worden ist, zur Steuerung der Kristallbildung in einer Argonatmosphäre bei 400 °C 30 Minuten getempert. Durch das Tempern werden die Oberflächenorientierungen der Kupferschicht 132 und des Kupferfilms 130 in (200) umgewandelt und riesiges Korn mit einer Korngröße von mehreren 100 μm gebildet. Dadurch wird es möglich, einen (200)-orientierten Einkristall-Kupferfilm 134 zu bilden, der großes Korn hat und demzufolge eine geringere Anzahl an Grenzflächen hat. Der Kupferfilm 139 wird bei ungefähr 150 °C einem Tempern unterzogen. Nach dem Tempern hat das Kupfer, welches die obere Oberfläche des Kupferfilms 139 bildet, im Prinzip eine Oberflächenorientierung von (111) (7C).
  • Als Nächstes werden die Teile des Kupfers, die außerhalb des zweiten Verbindungsgrabens 103 und des ersten Verbindungsgrabens 105 ausgebildet sind, typischerweise durch CMP entfernt. Die zweite Kupfer-Verbindung 138 und die erste Kupfer-Verbindung 140 können so geformt werden (7D). Das Kupfer, welches die obere Oberfläche der zweiten Kupfer-Verbindung 138 bildet, hat hierbei riesiges Korn mit einer Korngröße von mehreren 100 μm, so dass die zweite Kupfer-Verbindung 138 nur wenige Grenzen in Richtung der Leiterbreite hat.
  • Als Nächstes wird die Ausbildung der Kupfer-Verbindungen aus den Verfahrensschritten, die in der ersten Ausführungsform anhand der 3D bis 6C erläutert worden sind, gemäß dem Verfahren, wie bei dieser Ausführungsform erläutert, durchgeführt. Somit kann die Halbleitervorrichtung 100 fertig gestellt werden.
  • Das Barrieremetall, das bei dieser Ausführungsform als aus einem Ta-Film gebildet erläutert worden ist, kann durch andere Barrierefilme, wie beispielsweise einen W-Film, einen Ti-Film und einen Nb-Film ersetzt werden.
  • In den folgenden Absätzen werden die Wirkungen des Herstellungsverfahrens der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
  • Bei dieser Ausführungsform werden der Kupferfilm 130 und die Kupferschicht 132, die durch den Vorspannungszerstäubungsvorgang gebildet worden sind, bei ungefähr 400 °C getempert. Die vorspannungszerstäubte Kupferschicht 132 und der Kupferfilm 130 haben Kupfer mit größerer Korngröße und haben die Oberflächenorientierung derselben in (200) umgewandelt. Der Einkristall-Kupferfilm, der eine geringere Anzahl von Grenzflächen hat, kann somit gebildet werden. Dadurch wird es möglich, bei der zweiten Kupfer-Verbindung 138 den spezifischen Widerstand zu reduzieren und den Elektromigrationwiderstand zu verbessern.
  • Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform kann auch diese Ausführungsform erfolgreich den SIV-Ausfall unterdrücken, der durch die Konzentration von Lunkern an der Grenzfläche zwischen der Kupfer-Verbindung und dem Kontaktloch an der zweiten Kupfer-Verbindung 138 verursacht wird. Diese Ausführungsform ist auch bei der Unterdrückung des SIV-Ausfalls und bei der Unterdrückung der Elektromigration in der engen ersten Kupfer-Verbindung 140 erfolgreich.
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die vorstehend unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben worden sind, sind lediglich Beispiele der vorliegenden Erfindung, erlauben die Anwendung von anderen verschiedenen Konfigurationen.
  • Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung an einer Halbleitervorrichtung angewandt werden, die eine duale Damascene-Struktur hat, obwohl die vorstehend beschriebene Ausführungsform eine Halbleitervorrichtung 100 mit einer einzelnen Damascene-Struktur betrifft.
  • Es ist auch zulässig, bei der ersten Ausführungsform den Schritt Zuführen von Strom in der Gegenrichtung zwischen dem Niedrigstromversorgungsschritt und dem Hochstrom versorgungsschritt wegzulassen, wenn die Kupfer-Verbindungen durch eine Elektroplattiertechnik über eine Anzahl von Schritten ausgebildet werden.
  • [Beispiel]
  • Beispiel 1
  • Unter Verwendung eines ähnlichen Verfahrens, wie dasjenige, das bei der ersten Ausführungsform angewandt worden ist, wurden Ta-Filme in den relativ engen Verbindungsgräben ausgebildet und TaN-Filme in den relativ breiten Verbindungsgräben ausgebildet. Die Kupferfilme wurden in den engen Verbindungsgräben durch das Niedrigstromplattieren versenkt und die Kupferfilme wurden in den breiten Verbindungsgräben durch das Hochstromplattieren versenkt. Eine Mehrschicht-Kupfer-Verbindungsstruktur wurde so hergestellt, dass sie die zweiten Kupfer-Verbindungen mit einer Breite, die mit 10 μm relativ breit waren, als breite Verbindungsgräben hergestellt waren und erste Kupfer-Verbindungen mit einer Breite, die mit 0,2 μm relativ eng waren, als enge Verbindungsgräben hergestellt waren, enthielt. Es wurde herausgefunden, dass die meisten Teile der ersten Kupfer-Verbindungen eine (111)-Oberflächenorientierung und eine (511)-Oberflächenorientierung haben. Die Bestätigung durch eine EBSP-Technik offenbarte auch, dass die meisten Teile der zweiten Kupfer-Verbindungen eine (200)-Oberflächenorientierung haben.
  • 8 zeigt eine Struktur der zweiten Kupfer-Verbindungen, die in den Verbindungsgräben mit einer Breite von 10 μm durch FIBSEM ausgebildet worden waren. 9 zeigt einen Teil, der in der 8 durch den Pfeil angegeben ist, mittels einer EBSP-Technik. Wie in der 9 gezeigt, wurde herausgefunden, dass der größte Teil der zweiten Kupfer-Verbindung dieser Ausführungsform die (200)-Oberflächenorientierung zeigt.
  • Es ist klar zu ersehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen begrenzt ist, sondern dass sie ohne Abweichen vom Umfang und Geist der Erfindung modifiziert und geändert werden kann.

Claims (6)

  1. Halbleitervorrichtung mit: einem Halbleitersubstrat; einem Isolierfilm, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist; und einer Anzahl von Kupfer-Verbindungen, die in der gleichen Höhe in dem Isolierfilm vorgesehen sind; wobei die Kupfer-Verbindungen aufweisen: eine erste Kupfer-Verbindung mit einer relativ engen Breite; und eine zweite Kupfer-Verbindung mit einer relativ breiten Breite; wobei die erste Kupfer-Verbindung eine obere Oberfläche hat, die im Prinzip aus einer (111)-Kupfer-Oberfläche besteht, und die zweite Kupfer-Verbindung die obere Oberfläche aufweist, die im Prinzip aus einer (200)-Kupfer-Oberfläche besteht.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Kupfer-Verbindung eine Leitungsbreite von weniger als 0,3 μm hat und die zweite Kupfer-Verbindung eine Leitungsbreite von 0,3 μm oder größer hat.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, weiterhin mit einem Kontaktloch, das so vorgesehen ist, dass es mit der oberen Oberfläche der zweiten Kupfer-Verbindung verbunden ist, das die folgende Gleichung erfüllt: 3r<D wobei r den Durchmesser des Kontaktloches und D die Leitungsbreite der zweiten Kupfer-Verbindung repräsentiert.
  4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die folgende Gleichung erfüllt ist: C/D < 0,5 wobei C die Höhe der Kupfer-Verbindung und D die Leitungsbreite der zweiten Kupfer-Verbindung repräsentiert.
  5. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit: Erlangen eines Halbleitersubstrats und Ausbilden eines Isolierfilms auf demselben; selektives Entfernen des Isolierfilms, um einen ersten Verbindungsgraben mit einer relativ engen Breite und einen zweiten Verbindungsgraben mit einer relativ breiten Breite zu bilden; Ausbilden durch einen Zerstäubungsvorgangs unter Verwendung eines Ta-Ziels eines Ta-Films auf der Innenwand des ersten Verbindungsgrabens und Ausbilden eines TaN-Films auf der Innenwand des zweiten Verbindungsgrabens in einer Stickstoffatmosphäre ohne Anlegen einer Substratvorspannung; Ausbilden eines Kupferfilms durch einen Plattiervorgang, um den ersten Verbindungsgraben und den zweiten Verbindungsgraben auszufüllen; und Tempern des Kupferfilms und Entfernen von Teilen des Kupferfilms, die außerhalb der Verbindungsgräben ausgebildet sind, um dadurch eine erste Kupfer-Verbindung in dem ersten Verbindungsgraben und eine zweite Kupfer-Verbindung in dem zweiten Verbindungsgraben zu erzeugen.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit: Erlangen eines Halbleitersubstrats und Ausbilden eines Isolierfilms auf demselben; selektives Entfernen des Isolierfilms, um einen ersten Verbindungsgraben mit einer relativ engen Breite und einen zweiten Verbindungsgraben mit einer relativ breiten Breite zu schaffen; Ausbilden eines plattierten Films über dem gesamten Bereich der oberen Oberfläche des Isolierfilms durch einen Plattierschritt; und Tempern des plattierten Films und Entfernen von Teilen des plattierten Films, die außerhalb der Verbindungsgräben ausgebildet sind, um dadurch eine erste Kupfer-Verbindung in dem ersten Verbindungsgraben und eine zweite Kupfer-Verbindung in dem zweiten Verbindungsgraben zu bilden, wobei in dem Plattierschritt ein erster Kupferfilm in den ersten Verbindungsgraben mit einer relativ langsamen Filmausbildungsrate gefüllt wird und dann ein zweiter Kupferfilm in den zweiten Verbindungsgraben mit einer relativen schnellen Filmausbildungsrate gefüllt wird.
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