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Gebiet der
vorliegenden Erfindung
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung integrierter
Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung von Metallisierungsschichten
mit gut leitenden Metallen, etwa Kupfer, die in ein dielektrisches
Material mit geringer Permittivität zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit des
Bauelements eingebettet sind.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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In
einer integrierten Schaltung wird eine große Anzahl von Schaltungselementen,
etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen in oder
auf einem geeigneten Substrat für
gewöhnlich in
einer im Wesentlichen ebenen Konfiguration gebildet. Auf Grund der
großen
Anzahl an Schaltungselementen und der erforderlichen komplexen Schaltungsanordnung
der integrierten Schaltungen können
im Allgemeinen die elektrischen Verbindungen der einzelnen Schaltungselemente
nicht in der gleichen Ebene eingerichtet werden, in der die Schaltungselemente
hergestellt sind, sondern es sind eine oder mehrere zusätzliche „Verdrahtungs"-Schichten erforderlich,
die auch als Metallisierungsschichten bezeichnet werden. Diese Metallisierungsschichten beinhalten
typischerweise metallenthaltende Leitungen, die die elektrische
Verbindung in der Ebene herstellen, und enthalten auch mehrere Zwischenebenenverbindungen,
die auch als Kontaktdurchführungen
bezeichnet sind, die mit einem geeigneten Metall gefüllt und
die elektrische Verbindung zwischen benachbarten gestapelten Metallisierungsschichten herstellen,
wobei die metallenthaltenden Leitungen und Kontaktdurchführungen
gemeinsam auch als Verbindungsstrukturen bezeichnet werden.
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Auf
Grund der stetigen Abnahme der Strukturgrößen von Schaltungselementen
in modernen integrierten Schaltungen steigt auch die Anzahl der Schaltungselemente
für eine
vorgegebene Chipfläche
an, d. h. die Packungsdichte wird größer, wodurch ein noch größerer Anstieg
der Anzahl elektrischer Verbindungen erforderlich ist, um die gewünschte Schaltungsfunktionalität bereitzustellen. Daher
steigt für
gewöhnlich
die Anzahl der gestapelten Metallisierungsschichten an, wenn die
Anzahl der Schaltungselemente pro Chipfläche grö ßer wird. Die Herstellung mehrerer
Metallisierungsschichten zieht äußerst herausfordernde
Aufgaben nach sich, die es zu lösen
gilt, etwa die mechanische, thermische und elektrische Zuverlässigkeit
mehrerer gestapelter Metallisierungsschichten, die in modernen Mikroprozessoren
erforderlich sein können.
Halbleiterhersteller gehen daher zunehmend dazu über, das gute bekannte Metallisierungsmetall
Aluminium durch ein Metall zu ersetzen, das höhere Stromdichten ermöglicht und
damit eine Verringerung der Abmessungen der Verbindungsstrukturen
und damit eine Reduzierung der Anzahl der gestapelten Metallisierungsschichten
ermöglicht.
Beispielsweise sind Kupfer und Legierungen davon Materialien, die
für das
Ersetzen von Aluminium auf Grund ihrer besseren Eigenschaften im
Hinblick auf eine höhere
Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration
und im Hinblick auf einen deutlich geringen elektrischen Widerstand
im Vergleich zu Aluminium verwendet werden. Trotz dieser Vorteile
weist Kupfer eine Reihe von Nachteilen hinsichtlich der Bearbeitung
und Handhabung in einer Halbleiterfertigungsstätte auf. Beispielsweise kann
Kupfer nicht in effizienter Weise auf ein Substrat in großen Mengen
durch gut etablierte Abscheideverfahren, etwa die chemische Dampfabscheidung (CVD)
aufgebracht werden und kann auch nicht effizient durch typischerweise
angewendete anisotrope Ätzprozeduren
strukturiert werden. Folglich wird bei der Herstellung von Metallisierungsschichten
mit Kupfer die sogenannte Damaszener- oder Einlegetechnik (einzeln
oder dual) vorzugsweise angewendet, wobei eine dielektrische Schicht
zunächst
aufgebracht und anschließend
strukturiert wird, um Gräben und
Kontaktlöcher
zu erhalten, die nachfolgend mit einem kupferbasierten Metall gefüllt werden.
Ein wesentlicher Nachteil bei der Anwendung des Kupfers ist seine
Fähigkeit,
gut in vielen dielektrischen Materialien, etwa Siliziumdioxid, das
ein gut etabliertes und bewährtes
dielektrisches Material bei der Herstellung integrierter Schaltungen
ist, zu diffundieren.
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Es
ist daher notwendig ein sogenanntes Barrierenmaterial in Verbindung
mit einer Kupfermetallisierung anzuwenden, um im Wesentlichen eine
Diffusion von Dielektrika in das Kupfer zu vermeiden, um damit eine
negative Modifizierung seiner elektrischen Eigenschaften zu verhindern,
und um ferner eine Diffusion von Kupfer in das umgebende dielektrische Material
zu reduzieren, da Kupfer leicht in sensible Halbleiterbereiche wandern
kann, wodurch deren Eigenschaften deutlich geändert werden. Das zwischen
dem Kupfer und dem dielektrischen Material vorgesehene Barrierenmaterial
sollte jedoch zusätzlich
zu den erforderlichen Barriereneigenschaften eine gute Haftung an
dem dielektrischen Material sowie am Kupfer aufweisen, um der Verbindungsstruktur
eine gute mechanische Stabilität
zu ver leihen, und das Barrierenmaterial sollte ferner einen möglichst geringen
elektrischen Widerstand aufweisen, um nicht in unerwünschter
Weise die elektrischen Eigenschaften der Verbindung zu beeinträchtigen.
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Mit
der stetigen Reduzierung der Strukturgrößen von Schaltungselementen
werden auch die Abmessungen der Verbindungsstrukturen reduziert, wodurch
ebenso eine geringere Schichtdichte der Barrierenmaterialien in
Verbindungsstrukturen erforderlich ist, um nicht unnötig wertvollen
Platz für
das eigentliche Metall einzunehmen, das eine deutlich höhere Leitfähigkeit
im Vergleich zu dem Barrierenmaterial aufweist. Somit sind komplexe
Barrierentechniken erforderlich, um eine weitere Größenreduzierung
der Bauteile zu gewährleisten,
wobei die Verwendung dielektrischer Materialien mit reduzierter Permittivität weitere
Einschränkungen
auferlegen kann, wie dies mit Bezug zu den 1a bis 1c für eine typische
Prozesstechnik für
moderne kupferbasierte integrierte Schaltungen beschrieben ist.
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1a zeigt
eine schematische Querschnittsansicht einer Halbleiterstruktur 100 mit
einem Substrat 101, beispielsweise einem Halbleitersubstrat
mit einer Vielzahl einzelner Schaltungselemente (nicht gezeigt),
etwa Transistoren, Widerständen,
Kondensatoren und dergleichen. Das Substrat 101 repräsentiert
eine beliebige Art eines geeigneten Substrats mit oder ohne zusätzlichen
Schaltungselementen und kann insbesondere modernste integrierte
Schaltungssubstrate repräsentieren,
die darin Schaltungselemente mit kritischen Strukturgrößen im Bereich deutlich
unter 1 μm
aufweisen. Eine erste dielektrische Schicht 102 ist auf
dem Substrat 101 ausgebildet und umfasst ein leitendes
Gebiet 104, beispielsweise eine Verbindungsstruktur mit
einer Metallleitung 103, etwa einer Kupferleitung, und
einer ersten Barrierenschicht 106 mit Tantal und einer
zweiten Barrierenschicht 105 mit Tantalnitrid. Die dielektrische
Schicht 102 und das Verbindungselement 104 können eine
erste Metallisierungsschicht repräsentieren. Eine Ätzstoppschicht 110 mit
beispielsweise Siliziumnitrid, stickstoffangereichertem Siliziumkarbid
oder dergleichen, ist über
der dielektrischen Schicht 102 und teilweise über der
Kupferleitung 103 ausgebildet. Eine zweite dielektrische
Schicht 107 mit einem dielektrischen Material mit geringer
Permittivität,
zumindest in einem oberen Bereich 107b, wie es typischerweise
zur Reduzierung der parasitären Kapazität zwischen
benachbarten Metallleitungen eingesetzt wird, ist über der Ätzstoppschicht 110 und der
ersten dielektrischen Schicht 102 ausgebildet, wobei darin
ein Graben 109 in dem oberen Bereich 107b und
eine Kontaktdurchführung 108 in
einem unteren Bereich 107a mit Verbindung zu der Metallleitung 103 ausgebildet
ist, wodurch eine Kontaminationsschicht 111 freigelegt
wird, die auf einem Oberflächenbereich 103a der
Kupferleitung 103 angeordnet ist. Beispielsweise kann der
untere Bereich 107a aus fluordotiertem Siliziumdioxid aufgebaut
sein, das aus TEOS abgeschieden ist, das auch als FTEOS bezeichnet
wird und das eine geringere Permittivität im Vergleich zu reinem TEOS-Siliziumdioxid
aufweist.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung der Halbleiterstruktur 100,
wie sie in 1a gezeigt ist, kann die folgenden
Schritte umfassen, wobei der Einfachheit halber lediglich die Herstellung
der zweiten Metallisierungsschicht, d. h. der zweiten dielektrischen
Schicht 107 und des Metallverbindungselementes, das darin
herzustellen ist, detailliert beschrieben wird, da die Prozesse
zur Herstellung der Verbindungsstruktur 104 in der ersten
dielektrischen Schicht 102 im Wesentlichen die gleichen
Prozessschritte beinhalten können.
Somit wird nach dem Einebnen der dielektrischen Schicht 102 mit
dem Verbindungselement 104 und nach dem Bilden der Ätzstoppschicht 110,
wodurch die Verbindungsstruktur 104 passiviert wird, da
reines Kupfer eine relativ reaktive Oberfläche bildet, die dielektrische
Schicht 107 durch gut bekannte Abscheideverfahren, etwa plasmaunterstütztes CVD,
Aufschleudertechniken, und dergleichen, abgeschieden, wobei, wie
zuvor dargestellt ist, Siliziumdioxid mit Fluor, das aus TEOS mittels
CVD abgeschieden wird, häufig
verwendet wird. Nachfolgend wird die dielektrische Schicht 107 durch
gut bekannte Photolithographie- und
anisotrope Ätztechniken
strukturiert, wobei eine zwischenliegende Ätzstoppschicht (nicht gezeigt)
bei der Strukturierung des Grabens 109 verwendet werden
kann. Es sollte weiter beachtet werden, dass unterschiedliche Vorgehensweisen
bei der Herstellung des Grabens 109 und der Kontaktdurchführung 108 eingesetzt
werden, etwa der sogenannte Ansatz mit dem Kontaktloch zuerst und
dem Graben zuletzt, oder ein Ansatz mit Graben zuerst und Kontaktloch
zuletzt, oder in anderen Vorgehensweisen wird die Kontaktdurchführung 108 zuerst
gebildet und mit Metall gefüllt,
bevor der Graben 109 hergestellt wird. In dem vorliegenden
Beispiel ist eine sogenannte duale Damaszener-Technik beschrieben, in der der Graben 109 und
die Kontaktdurchführung 108 gemeinsam mit
Metall gefüllt
werden.
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Unabhängig von
dem angewendeten Ätzschema
wird in dem letzten Ätzschritt
zur Herstellung der Kontaktdurchführung 108 die Ätzstoppschicht 110 geöffnet und
die Kupferoberfläche 103a wird
der reaktiven Ätzumgebung
ausgesetzt, die Fluor enthalten kann, insbesondere, wenn die dielektrische Schicht 107 ebenso
Fluor enthält.
Als Folge davon wird die Kontaminationsschicht 111, die
eine Kupfer/Fluor/Sauerstoff-Verbindung aufweisen kann, auf dem
Oberflächenbereich 103a gebildet.
Da die Kontaminationsschicht 111 merklich die weiteren
Prozesse, etwa die Herstellung einer Barrierenschicht und einer
Saatschicht für
den nachfolgenden Kupfereinfüllprozess,
beeinflussen kann, wodurch die Zuverlässigkeit der Kontaktdurchführung verringert
und die Produktausbeute und Zuverlässigkeit herabgesetzt werden
können,
wird die Kontaminationsschicht 111 typischerweise mittels
eines nasschemischen Ätzprozesses
auf der Grundlage von beispielsweise verdünnter Flusssäure (HF)
oder anderen geeigneten Chemikalien entfernt. Es zeigt sich, dass
während dieses
nasschemischen Prozesses die Kontaminationsschicht 111 effizient
entfernt werden kann, wobei jedoch der Oberflächenbereich 103a erneut
einer reaktiven Umgebung ausgesetzt wird, woraus sich ein Neubilden
einer Kontaminationsschicht mit ähnlichen negativen
Auswirkungen auf die weitere Bearbeitung wie die Schicht 111 ergibt.
Folglich wird während
des Prozesses zur Herstellung einer Barrieren/Haftschicht ein Sputter-Vorreinigungsprozess
ausgeführt, um
weitere Kontaminationsstoffe von den Oberflächenbereich 103a zu
entfernen.
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1b zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 100 während einer
anfänglichen
Phase eines Sputter-Prozesses, der als 112 bezeichnet ist,
wobei Argonionen auf den Oberflächenbereich 103a gerichtet
werden, um zu versuchen, die Kontaminationsschicht 111 oder
Kontaminationsstoffe 111a zu entfernen, die nach dem nasschemischen
Reinigungsprozess, der ausgeführt
worden sein kann, immer noch vorhanden sein können. Danach werden die Sputter-Parameter
geändert,
um eine Barrieren/Haftschicht beispielsweise auf der Grundlage von
Tantal und/oder Tantalnitrid abzuscheiden. Auf Grund des nicht vollständigen Entfernens
der Kontaminationsstoffe 111a während des anfänglichen
Vorreinigungsprozesses können
Unregelmäßigkeiten
weiterhin an dem Oberflächenbereich 103 nach
der Herstellung der Barrieren/Haftschicht, der Herstellung einer Saatschicht
und dem Abscheiden des Hauptanteils an Kupfer vorhanden sein.
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1c zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 100 mit einer Barrieren/Haftschicht 113 und einer
Kupfersaatschicht 114, die auf der Struktur 100 und
innerhalb des Grabens 109 und der Kontaktdurchführung 108 ausgebildet
ist. Auf dem Oberflächenbereich 103a sind
Unregelmäßigkeiten 111b ggf.
ausgebildet, die nach der Füllung
mit Kupfer zu einer reduzierten Kontaktlochzuverlässigkeit
führen können auf
Grund von beispielsweise einem erhöhten Übergangswiderstand zwischen
der Kontaktdurchführung 108 und
der Metallleitung 103. Die Problematik einer reduzierten
Kontaktlochzuverlässigkeit
wird noch verschärft
für äußerst größenreduzierte
Bauelemente, da der geringere Querschnitt der Kontaktdurchfüh rung 108 noch
weitere Einschränkungen
in den Prozessgrenzen im Hinblick auf Widerstandsschwankungen der
Kontaktdurchführungen 108 erfordert.
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Die
Patentanmeldung
EP
1 345 270 A2 behandelt die Herstellung von Kupferverdrahtungen, wobei
nach dem CMP-Schritt eine Korrosionsschutzschicht aus Benzotriazolen
(BTA) aufgebracht wird, die vor einem Silizidierungsschritt bei
Temperaturen von 150 bis 450°C
verdampft werden kann.
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Die
Patentanmeldung WO 00/02238 A1 offenbart eine neue Komposition für ein Reinigungsmittel
für eine
Kontaktlochöffnung,
das eine Cholin-Verbindung enthält.
Daneben kann das Reinigungsmittel auch Korrosionsschutzmittel, z.
B. Benzotriazole, aufweisen.
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Die
Patentschrift
US 6
838 370 B1 betrifft die Herstellung einer Kupferverdrahtung,
wobei nach dem CMP-Schritt auf der Kupferleitung mittels Benzotriazolen
eine Schutzschicht gebildet wird, die später beim Ätzen des Kontaktloches teilweise
wieder entfernt wird.
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Die
Patentanmeldung US 2003/0186544 A1 offenbart einen Kontaktlochätzprozess
zum Kontaktieren einer Kupferstruktur, wobei eine Reaktionsschicht
auf freigelegten Bereichen der Kupferstruktur entsteht. Ferner wird
auf den Bereichen eine Oxidschicht gebildet.
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Die
Patentanmeldung US 2003/0008509 A1 offenbart das Entfernen einer Ätzstoffreaktionsschicht
mittels Oxidation, wobei eine Oxydschicht entsteht, die nachfolgend
durch Reduzieren entfernt wird.
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Die
Patentschrift
US 5 736 002 behandelt
allgemein das Strukturieren von Kupferschichten und lehrt dazu mehrere
Varianten des Behandelns und Entfernens von kupferaufweisenden Schichten.
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Angesichts
der oben erkannten Probleme besteht ein Bedarf für eine verbesserte Technik,
die die Herstellung zuverlässigerer
Metallverbindungen insbesondere von Kupferverbindungen in äußerst größenreduzierten
Halbleiterbauelementen ermöglicht.
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Überblick über die
Erfindung
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an eine Technik,
die deutlich Strukturunregelmäßigkeiten
reduzieren kann, die sich innerhalb einer Kontaktdurchführung bilden,
die mit einem Metallgebiet, etwa einem kupferenthaltenden Gebiet, verbunden
ist. Zu diesem Zweck wird während
der Herstellung von Metallisierungsschichten mit Kontaktdurchführungen
und Gräben
eine freiliegende Metallfläche,
die äußerst reaktiv
sein kann, wenn beispielsweise Kupfer der wesentliche Anteil ist,
so behandelt, dass eine Passivierungsschicht gebildet wird. Die
Passivierungsschicht kann während
oder nach einem nasschemischen Reinigungsprozess gebildet werden,
um durch die Ätzung
hervorgerufene Kontaminationsstoffe in der freiliegenden Metalloberfläche zu reduzieren.
Auf Grund des Vorsehens der Passivierungsschicht kann eine deutliche
Verbesserung im Hinblick auf die weitere Substrathandhabung erreicht
werden, da im Wesentlichen eine weitere chemische Reaktion des Metalls
mit Kontaminationsstoffen, etwa Sauerstoff, Fluor und dergleichen
vermieden wird. Danach kann vor der Herstellung eines Metalls oder
eines Barrierenmaterials in der Öffnung diese
Passivierungsschicht in einer äußerst effizienten
Weise in einer Wärmebehandlung
entfernt werden, wodurch effizient wesentliche Anteile der Passivierungsschicht
verdampft werden. Folglich kann eine signifikante Ausbeuteverbesserung
erreicht werden, indem beispielsweise der Einfluss von Wartezeiteffekten
verringert wird.
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Gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bilden einer Öffnung in
einer dielektrischen Schicht, wobei die Öffnung mit einem Metallgebiet verbunden
ist, das unter der Öffnung
angeordnet ist. Ferner umfasst das Verfahren das Reinigen eines Oberflächenbereichs
des von der Öffnung
freigelegten Metallgebiets und das Bilden einer Passivierungsschicht
auf dem Oberflächenbereich.
Ferner wird eine Wärmebehandlung
in einer spezifizierten Umgebung mit geringem Druck bei einer spezifizierten
Temperatur ausgeführt,
um im Wesentlichen die Passivierungsschicht durch Verdampfen zu
entfernen, um damit den Oberflächenbereich
freizulegen. Schließlich
wird eine Barrieren/Haftschicht auf dem freigelegten Oberflächenbereich
abgeschieden.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bilden einer
Kontaktlochöffnung
in einer dielektrischen Schicht einer Metallisierungsschicht eines
Halbleiterbauelements, wobei die Kontaktlochöffnung mit einem kupferenthaltenden Metallgebiet,
das unter der Kontaktlochöffnung
angeordnet ist, verbunden ist. Ferner wird eine Passivierungsschicht
zumindest auf einem Bereich des Metallgebiets, der von der Kontaktlochöffnung freigelegtist,
gebildet, und die Passivierungsschicht wird durch Verdampfung entfernt,
woran sich das Bilden einer Barrieren/Haftschicht in der Kontaktlochöffnung anschließt.
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Kurze
Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert
wird, in denen:
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1a bis 1c schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements mit einer Verbindungsstruktur
zeigen, die in einem dielektrischen Material ausgebildet ist, wobei
Unregelmäßigkeiten
in dem Metall durch Kontamination eines freigelegten Oberflächenbereichs
während
der Herstellung einer Kontaktdurchführung gemäß einer konventionellen Technik
erzeugt werden können;
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2a und 2b schematisch
eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements zeigen, das
eine Teststruktur zum Bestimmen einer geeigneten Prozesstemperatur
zum Entfernen einer Passivierungsschicht repräsentieren kann, die auf einem kupferenthaltenden
Metallgebiet gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
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2d einen Graphen repräsentiert, der schematisch beispielhafte
Ergebnisse des Bestimmens des Ausmaßes eines Materialabtrags bei
unterschiedlichen Temperaturen zeigt, um eine geeignete Sollprozesstemperatur
für spezifizierte
Unterdruckbedingungen gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
zu erhalten; und
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3a bis 3d schematisch
ein Halbleiterbauelement während
diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung einer kupferbasierten
Metallisierungsschicht gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zeigen.
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Detaillierte
Beschreibung
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist,
wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den
Zeichnungen dargestellt sind, sollte es selbstverständlich sein,
dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen
nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen
anschaulichen offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen lediglich beispielhaft
die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich
durch die angefügten
Patentansprüche
definiert ist.
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt eine Technik, die die Problematik
einer Oberflächenkontamination
freigelegter Metallgebiete während
der Herstellung von Kontaktdurchführungen in einer dielektrischen
Schicht löst,
was konventioneller Weise zu einer reduzierten Zuverlässigkeit
und Ausbeute führen kann,
insbesondere wenn Halbleiterbauelemente betrachtet werden, die auf
der Grundlage von Kupfer oder Kupferverbindungen oder Kupferlegierungen hergestellt
werden. Wie zuvor erläutert
ist, können insbesondere
Fluor und Sauerstoff mit einer freigelegten Kupferoberfläche reagieren,
wodurch eine Vielzahl von Oberflächendefekten
erzeugt wird, die zu deutlichen Unregelmäßigkeiten während der weiteren Bearbeitung
der Halbleiterbauelemente führen können. Da
derartige Ätznebenprodukte,
die während
eines vorhergehenden Ätzprozesses
zum Freilegen der Kupferoberfläche
erzeugt werden, in effizienter Weise auf der Grundlage gut etablierter
nasschemischer Reinigungsprozesse entfernt werden können, wird
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine effiziente Passivierungsschicht während oder nach den äußerst effizienten
nasschemischen Reinigungsprozessen hergestellt, wodurch in effizienter
Weise Oberflächenkontaminationen
entfernt oder wesentlich reduziert werden und wodurch im Wesentlichen eine
Neuausbildung von Kontaminationen vermieden oder reduziert wird,
etwa das Ausbilden einer Kupfer/Fluor/Sauerstoff-Schicht. Des weiteren
kann die im Wesentlichen passivierte Oberfläche des kupferbasierten Gebiets
vor der Abscheidung eines Barrieren/Haftmaterials in effizienter
Weise mittels einer Wärmebehandlung
freigelegt werden, um damit im Wesentlichen das gesamte Material
der Passivierungsschicht zu verdampfen, wodurch die Oberfläche des
kupferenthaltenden Metalls in einer im Wesentlichen homogenen Weise
freigelegt wird, wodurch sich eine verbesserte Prozessgleichförmigkeit der
nachfolgenden Abscheideprozesse ergibt. Ferner kann in einigen anschaulichen
Ausführungsformen
die weitere Abscheidung von Barrieren/Haftmaterial im Wesentlichen
ohne vorhergehende plasmagestützte
Reinigungssequenzen ausgeführt
werden, wodurch die Gefahr einer Kupferkontamination von Seitenwandbereichen
der entsprechenden Kontaktlochöffnung
verringert wird. Folglich kann die Prozessgleichförmigkeit
des nachfolgenden Abscheideprozesses sowie die Qualität der Grenzfläche zwischen
der Kontaktdurchführung
und dem kupferbasierten Metallgebiet deutlich verbessert werden.
Als Folge davon kann die Gesamtausbeute sowie die Zuverlässigkeit
der Verbindungsstruktur verbessert werden.
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Mit
Bezug zu den 2a, 2b und 3a bis 3d werden
nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung detaillierter beschrieben.
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2a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht einer Halbleiterstruktur 200 mit
einem Substrat 201 mit mehreren darin ausgebildeten Metallgebieten 203, 253,
wobei der Einfachheit halber lediglich zwei Gebiete gezeigt sind.
Das Substrat 201 kann ein beliebiges geeignetes Substrat
repräsentieren,
etwa ein Siliziumsubstrat, ein SOI- (Silizium-auf-Isolator) Substrat
oder ein anderes isolierendes oder halbleitendes Trägermaterial.
Die Metallgebiete 203 und 253 können ein
beliebiges Metall repräsentieren,
das für
die Herstellung von Metallisierungsschichten in Halbleiterbauelementen
geeignet ist und kann in anschaulichen Ausführungsformen insbesondere ein
kupferbasiertes Gebiet repräsentieren,
d. h. die Gebiete 203 und 253 können Kupfer, Kupferverbindungen,
Kupferlegierungen und dergleichen aufweisen. Des weiteren können die
Metallgebiete 203 und 253 Barrieren/Haftschichten
enthalten, wie dies als geeignet erachtet wird, obwohl die eine oder
die mehreren Barrierenschichten in den 2a und 2b der
Einfachheit halber nicht gezeigt sind. In einigen anschaulichen
Ausführungsformen
repräsentiert
die Halbleiterstruktur 200 eine Teststruktur, die auf einem
oder mehreren Testsubstraten hergestellt ist, und die mehrere Metallgebiete 203 und 253 können ein
Teil einer kontinuierlichen Metallschicht sein. In einigen Ausführungsformen
werden die Metallgebiete 203 und 253 auf verschiedenen
Substraten bereitgestellt, wenn das Anwenden unterschiedlicher Temperaturen
für ein
einzelnes Substrat durch die verfügbaren Prozessanlagen nicht
kompatibel erscheint, wie dies später beschrieben ist. Es sollte
beachtet werden, dass die Halbleiterstruktur 200, wenn diese
als eine Teststruktur fungiert, gemäß speziellen Entwurfsregeln
gebildet werden kann, die auch für die
Herstellung tatsächlicher
Halbleiterbauelemente eines spezifizierten Typs verwendet werden,
so dass ein hohes Maß an
Authentizität
erreicht werden kann, wenn experimentelle Daten von der Halbleiterstruktur 200 gewonnen
werden. In anderen anschaulichen Ausführungsformen repräsentieren
die Metallgebiete 203 und 253 die Art eines Metalls,
das auch in einem tatsächlichen
Halbleiterbauelement verwendet wird, wobei die Metallgebiete 203 und 253 gemäß einem spezifizierten
Prozessrezept zur Herstellung einer geeigneten Passivierungsschicht
behandelt werden, ohne dass die zusätzlichen Komponenten der Struktur 200 vorgesehen
sind, wie dies nachfolgend beschrieben ist.
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Folglich
werden in anschaulichen Ausführungsformen,
in denen die Halbleiterstruktur 200 eine Halbleiterstruktur
mit hoher Ähnlichkeit
zu tatsächlichen
Produktbauelementen repräsentieren
soll, die Metallgebiete 203 und 253 in einer dielektrischen Schicht 202 hergestellt, über der
eine Ätzstoppschicht 210 angeordnet
sein kann, die auch teilweise über
dem Metallgebieten 203 und 253 ausgebildet ist.
Die Ätzstoppschicht 210 kann
aus einem beliebi gen geeigneten Material, etwa Siliziumnitrid, Siliziumkarbid,
stickstoffangereichertem Siliziumkarbid oder dergleichen aufgebaut
sein. Eine dielektrische Schicht 207, die zwei oder mehrere
Teilschichten aufweisen kann, ist auf der Ätzstoppschicht 21 ausgebildet,
wobei die dielektrische Schicht 207 so gebildet sein kann,
dass diese eine reduzierte Permittivität entsprechend den Entwurfsregeln
für tatsächliche Halbleiterbauelemente
aufweisen. Wie zuvor mit Bezug zu der dielektrischen Schicht 107 erläutert ist,
die in den 1a bis 1c gezeigt
ist, kann die dielektrische Schicht 207 ein beliebiges
geeignetes Material, etwa Siliziumdioxid, fluorangereichertes Siliziumdioxid,
ein Material mit kleinem ε möglicherweise
in Verbindung mit einem weiteren dielektrischen Material, oder dergleichen
aufweisen. In einer anschaulichen Ausführungsform repräsentiert
die dielektrische Schicht 207 eine fluordotiere Siliziumdioxidschicht, die
entsprechend den Abscheiderezepten hergestellt ist, wie sie auch
bei der Herstellung modernster Halbleiterbauelemente mit einer kupferbasierten
Metallisierung angewendet werden. Ferner können entsprechende Kontaktlochöffnungen 208 und 258 über dem Metallgebieten 203 bzw. 253 gebildet
sein, wobei die Abmessungen der Kontaktlochöffnungen 208 und 258 entsprechend
den Entwurfsregeln eines spezifizierten interessierenden Halbleiterbauelements
ausgewählt
sind. Die Kontaktlochöffnungen 208 und 258 sind
im Prinzip mit den darunter liegenden Metallgebieten 203 bzw. 253 verbunden,
wobei jedoch auf Oberflächenbereichen
der Metallgebiete 203 und 253 eine Schicht 211 vorhanden
sein kann, die im Wesentlichen inhomogen verteilte Kontaminationsstoffe
aufweisen kann, die durch eine Reaktion mit reaktiven Komponenten,
etwa Fluor, Sauerstoff oder dergleichen hervorgerufen werden, die
während
eines Ätzprozesses
zur Herstellung der Kontaktlochöffnungen 208 und 258 freigesetzt
worden sind und/oder die durch die entsprechende Ätzatmosphäre eingeführt wurden.
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Ein
typischer Prozess zur Herstellung der Halbleiterstruktur 200,
wie sie in 2a gezeigt ist, kann die folgenden
Prozesse umfassen. Nach der Ausbildung der Metallgebiete 203, 253 durch
beispielsweise eine Damaszener-Technik, die die Herstellung von
Gräben
in der dielektrischen Schicht 202 und ein nachfolgendes
Einfüllen
von Metall in die Gräben
beinhaltet, oder durch Bilden einer im Wesentlichen zusammenhängenden
Schicht über
dem Substrat 201 mittels einer Saatschicht und einem nachfolgenden
elektrochemischen Prozess, wird die Ätzstoppschicht 210 durch
gut etablierte Verfahren, etwa plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung
(CVD) hergestellt. Danach wird die dielektrische Schicht 207 durch
eine geeignete Abscheidetechnik gebildet, die entsprechend der gewünschten Materialzusammensetzung,
dem Schichtaufbau und dergleichen ausgewählt wird. Es sollte beachtet
werden, dass im Hinblick auf das Ermitteln einer geeigneten Prozesstemperatur
zum Entfernen einer Passivierungsschicht, die nach dem Entfernen
der Kontaminationsschicht 211 mittels eines entsprechenden nasschemischen Ätzprozesses
herzustellen ist, es vorteilhaft sein kann, die Halbleiterstruktur 200 und insbesondere
die Schichten 210 und 207 entsprechend interessierender
Prozessstrategien zu bilden, um damit Informationen über den
Prozess des Herstellens der Kontaktlochöffnungen 208 und 258 zu
erhalten, die dann direkt auf den entsprechenden Produktionsprozess übertragen
werden können.
Somit kann die dielektrische Schicht 207 in einigen Ausführungsformen
aus einem dielektrischen Material auf der Grundlage von Silizium
und Sauerstoff mit einer moderat geringen Permittivität, etwa
fluordotiertem Siliziumdioxid, wasserstoffangereichertem Siliziumoxikarbid
oder dergleichen aufgebaut sein. Jedoch können auch andere Materialien
auf der Grundlage von Polymermaterialien oder dergleichen gebildet werden.
Entsprechende Fertigungstechniken für diese Materialien sind gut
etabliert und werden hierin nicht detailliert beschrieben.
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Danach
kann eine Photolithographie angewendet werden, um eine Lackmaske
(nicht gezeigt) entsprechend den Entwurfsregeln für die Kontaktlochöffnungen 208 und 258 zu
bilden. Es sollte beachtet werden, dass abhängig von den Bauteilabmessungen äußerst anspruchsvolle
Lithographieverfahren erforderlich sein können. Bekanntlich haben moderne
Halbleiterbauelemente nunmehr kritische Strukturgrößen von
50 nm oder sogar weniger in der Transistorebene erreicht, wodurch
Metallleitungen und Kontaktdurchführungen mit Abmessungen in
der Größenordnung
von 100 nm oder weniger erforderlich sind, wobei insbesondere die
Kontaktlochöffnungen 208, 258 ein
Aspektverhältnis
(Tiefe/Durchmesser) von 5 und höher
aufweisen können.
Für derart extrem
größenreduzierte
Bauelemente ist der Kontaktwiderstand zwischen den Metallgebieten 203, 253 und
den entsprechenden Kontaktdurchführungen,
die in den Kontaktlochöffnungen 208, 258 herzustellen
sind, wesentlich von den Eigenschaften der Grenzfläche abhängig und
damit deutlich von den Oberflächeneigenschaften
eines Oberflächenbereichs 203, 253a abhängig, der
während
eines anisotropen Ätzprozesses
zum Ätzen
durch die dielektrische Schicht 207 und schließlich durch
die Ätzstoppfschicht 210 freigelegt
wird. Während
des abschließenden Ätzschrittes
durch die Ätzstoppschicht 210 können reaktive
Gaskomponenten und Nebenprodukte, etwa Fluor, Sauerstoff oder dergleichen
vorhanden sein und können
mit den freigelegten Oberflächenbereichen 203a, 253a reagieren.
Bekanntlich reagiert Kupfer leicht mit Fluor und Sauerstoff, um damit
die Kontaminationsschichten 211 zu bilden, die eine deutliche
strukturelle Schwankung innerhalb jeder Schicht 211 und über die
unterschiedlichen Kontaktlochöff nungen
hinweg auf Grund der äußerst ungleichförmigen Prozessbedingungen
im Hinblick auf das Ausbilden von Korrosion an den freigelegten Oberflächen 203a, 253a aufweisen
können.
Folglich kann nach dem Ende des Ätzprozesses
zum Öffnen der Ätzstoppschicht 210 ein
nasschemischer Prozess 230 ausgeführt werden, um die Kontaminationsschichten 211 zu
entfernen. Beispielsweise wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen
der nasschemische Prozess 230 auf der Grundlage einer Chemikalie
durchgeführt,
die ein Ätzmittel
und ein Oberflächenreaktionsmittel
aufweist, die eine chemische Reaktion mit den freiliegenden Metalloberflächen 203a, 253a eingehen,
um damit eine im Wesentlichen kontinuierliche Passivierungsschicht
zu erzeugen, wie dies mit Bezug zu 2b beschrieben ist.
In anderen Ausführungsformen
kann das Oberflächenreaktionsmittel
einen sogenannten Korrosionsverhinderer repräsentieren, der beispielsweise
auf der Grundlage von Triazol oder Verbindungen davon, etwa Benzentriazol
(BTA) hergestellt ist, wie dies zum Verhindern oder Reduzieren von
Korrosion an Kupferoberflächen
und dergleichen bekannt ist. In anderen Ausführungsformen kann das Ätzmittel
zum Entfernen der Schichten 211 verdünnte Flusssäure (HF) aufweisen.
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2b zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 200 nach dem Ende des
nasschemischen Reinigungsprozesses, wobei während oder nach dem Prozess 230 eine
Oberflächenbehandlung
ausgeführt
werden kann, um eine Passivierungsschicht 231 zumindest
auf den freigelegten Oberflächenbereichen 203a, 253a zu
bilden. Die Passivierungsschicht 231, die einen gewissen
Anteil an Kohlenstoff aufweisen kann, wenn diese beispielsweise
auf der Grundlage der zuvor genannten Materialien gebildet wird,
kann eine Dicke von einige Nanometer oder sogar weniger besitzen
und ist ausreichend für
ein effizientes Unterdrücken
oder ein Wesentliches Reduzieren einer weiteren Reaktion des kupferenthaltenden
Materials in den Gebieten 203 und 253, wodurch die
Anforderungen in Hinblick auf die Substrathandhabung und den Transport
vor nachfolgenden Fertigungsprozessen zum Füllen der Kontaktlochöffnungen 208, 258 mit
einem geeigneten Material entschärft
werden. Ferner ist die Halbleiterstruktur 200 einer spezifizierten
Umgebung bei geringem Druck ausgesetzt, die so eingerichtet sein
kann, dass die Umgebung sich in der auf die entsprechenden Passivierungsschichten 231 einwirkenden
Temperatur unterscheiden kann. Beispielsweise kann die Passivierungsschicht 231 in
der Kontaktlochöffnung 208 den spezifizierten
Unterdruckbedingungen mit einer ersten Temperatur, die als 220 bezeichnet
ist, ausgesetzt sein, während
die entsprechende Passivierungsschicht 231 in der Kontaktlochöffnung 258 einer unterschiedlichen
Temperatur 221 ausgesetzt sein kann, während im Wesentlichen die gleichen
Unterdruckbedingungen vorhanden sind. Beispielsweise können die
entsprechenden Temperaturen 220, 221 in einer
geeigneten Prozesskammer eingestellt werden, in der die vordefinierten
Umgebungsbedingungen in Bezug auf den Druck und die Temperatur eingerichtet
werden können,
wobei die spezifizierten Unterdruckbedingungen so ausgewählt sind,
dass ein Ausgasen von Kontaminationsstoffen in Gang gesetzt oder
gefördert
wird. Beispielsweise kann ein niedriger Druck im Bereich des Ultrahochvakuums bis
zu subatmosphärischen
Druckwerten geeignet sein. In einigen anschaulichen Ausführungsformen werden
die entsprechenden Unterdruckbedingungen auf der Grundlage von Prozesserfordernissen
eines tatsächlichen
Prozessablaufs ausgewählt,
in welchem beispielsweise nach dem Entfernen der Passivierungsschicht 231 ein
Barrierenmaterial abzuscheiden ist. Es sollte beachtet werden, dass
die unterschiedlichen Temperaturen 220, 221 derart
angewendet werden können,
dass in einer anschaulichen Ausführungsform
das Substrat 201 in einer lokalisierten Weise erwärmt wird,
während
in anderen Ausführungsformen
die Kontaktlochöffnungen 208 und 258 auf
unterschiedlichen Substraten vorgesehen sind, die die gleiche Prozesssequenz
zur Herstellung der Passivierungsschichten 231 durchlaufen
haben. Folglich können
mehrere Kontaktlochöffnungen
im Wesentlichen die gleichen Unterdruckbedingungen mit im Wesentlichen
der gleichen Wärmebehandlung erhalten,
während
entsprechende Kontaktlochöffnungen,
die in einem anderen Substrat hergestellt sind, im Wesentlichen
die gleichen Unterdruckbedingungen in Verbindung mit einer unterschiedlichen Prozesstemperatur
erhalten können.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen
können
zusätzlich unterschiedliche
Rezepte für
den Prozess 230 zum Entfernen von Kontaminationsstoffen
und/oder zur Herstellung der Passivierungsschichten 231 in
einem einzelnen Substrat angewendet werden, wodurch die Möglichkeit
geschaffen wird, gleichzeitig die Auswirkungen unterschiedlicher
Passivierungsschichten und/oder Reinigungsprozesse im Hinblick auf
das Entfernen der entsprechenden Passivierungsschichten 231 zu
bestimmen.
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Während der
Wärmebehandlung
auf der Basis der unterschiedlichen Temperaturen 220, 221 wird
ein Materialabtrag in Gang gesetzt, wobei mehrere unterschiedliche
Temperaturen verwendet werden können,
um in quantitativer Weise den Einfluss der Temperatur auf die Abtragsrate
für das
Material der Passivierungsschichten 231 zu bestimmen. Folglich
werden in einigen anschaulichen Ausführungsformen eine oder mehrere
Eigenschaften der Metallgebiete 203, 253 und/oder
der Kontaktlochöffnungen 208, 258 bestimmt,
um den Status der Oberflächen 203, 253a abzuschätzen, die
die unterschiedlichen Behandlungen auf der Grundlage der unterschiedlichen
Temperaturen 220, 221 durchlaufen haben. Auf der
Grundlage entsprechender Messergebnisse, die durch Elektronenmikroskopie,
Spannungskontrasttechniken oder Auger-Elektronenspektroskopie (AES),
oder dergleichen gewonnen werden, kann eine geeignete Prozesstemperatur
für eine
Wärmebehandlung
zum Entfernen der Passivierungsschicht 231 ausgewählt werden,
die dann für
die Bearbeitung eines oder mehrerer anderer Substrate während der Herstellung
einer entsprechenden Metallisierungsschicht in Produktsubstraten
angewendet werden kann. In anderen Ausführungsformen wird die Wirkung
der Wärmebehandlung
auf der Grundlage der Temperaturen 220, 221 während einer
späteren
Fertigungsphase beurteilt, wodurch auch akkumulierte Effekte eingeschlossen
werden, die in Verbindung mit nachfolgenden Prozessschritten, etwa
der Herstellung einer Barrieren/Haftschicht in den Kontaktlochöffnungen 208, 258 gefolgt
von einem nachfolgenden Einfüllprozess
zur Bereitstellung des kupferbasierten Metalls erhalten werden können. D.
h., das elektrische Verhalten kann untersucht und bewertet werden,
um eine geeignete Prozesstemperatur aus den mehreren Temperaturen 220, 221 möglicherweise
in Verbindung mit geeigneten Prozessparametern des Prozesses 230 für das Reinigen
und/oder Bilden der Passivierungsschichten 231 für einen
interessierenden Halbleiterbauelementtyp auszuwählen. Ferner können die
oben spezifizierten Messtechniken auch in diesem fortgeschrittenen
Fertigungsstadium eingesetzt werden, um damit auch die Möglichkeit
für ein
quantitatives Abschätzen
des gesamten Prozesssequenz zu schaffen, um damit eine geeignete
Prozesstemperatur in Verbindung mit einer geeigneten Unterdruckbedingung
auszuwählen.
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2c zeigt
schematisch beispielweise Messergebnisse für das Maß an Materialabtrag auf der
Grundlage einer spezifizierten Unterdruckbedingung für 5 unterschiedliche
Prozesstemperaturen. In 2c repräsentiert
die vertikale Achse die Messdaten, die von einer AES (Auger-Elekektronenspektroskopie)
gewonnen wurden, während
die horizontale Achse die Temperatur zum Entfernen entsprechender
Kontaminationsschichten, etwa der Schichten 231, repräsentiert,
wobei die Effizienz des Abtragungsprozesses auf der Grundlage von
Kohlenstoffresten abgeschätzt
wird, die durch die AES-Prozedur nachgewiesen werden. Es sollte
beachtet werden, dass in dem vorliegenden Beispiel 5 unterschiedliche Temperaturen
benutzt wurden, d. h. die unterschiedlichen Temperaturen können den
mehreren Temperaturen 220, 221, ... für 5 unterschiedliche
Temperaturen entsprechen, wobei die Kurve A die entsprechenden Messergebnisse
für Kontaktlochöffnungen darstellt,
die spezifizierten Unterdruckbedingungen auf der Grundlage einer
ersten Parametereinstellung ausgesetzt sind, während die Kurve B die entsprechenden
Messergebnisse für
andere Testproben mit den gleichen Temperaturen jedoch für eine unterschiedliche
Parametereinstellung für
die spezifizierten Unterdruckbedingungen darstellt. Die entsprechenden
Messdaten können
auf der Grundlage im Wesentlichen fertiger Kontaktdurchführungen,
d. h. auf der Grundlage von Kontaktdurchführungen, die mit einem Barrieren/Haftmaterial
und Kupfer gefüllt sind,
gewonnen werden. In dem dargestellten Beispiel wurde die Temperatur
T1, die beispielsweise der Temperatur 220 in 2b entspricht,
zu ungefähr 150
Grad C mit einem 30 Grad Intervall für den nächsten Temperaturwert ausgewählt. Wie
aus 2c ersichtlich ist, können Temperaturen entsprechend
T3 für
ein Entfernen der Passivierungsschichten 231 geeignet sein,
da hier ein reduzierter Kohlenstoffanteil angedeutet ist. Folglich
kann die Temperatur T3 als eine „Verdampfungs"-Temperatur betrachtet
werden, wobei beachtet werden sollte, dass diese Temperatur von
dem speziellen verwendeten Prozessablauf abhängen kann und nicht den genauen Punkt
des Verdampfens des Materials der Passivierungsschicht bei den vorgegebenen
spezifizierten Unterdruckbedingungen reflektieren muss. Im Hinblick
auf eine verbesserte Prozesstoleranz kann für einen tatsächlichen
Prozess die Temperatur etwas höher
als T3, beispielsweise T4, ausgewählt werden, wohingegen die
Auswahl von T5 zu einem leichten Anstieg der Kohlenstoffkontamination
führen
kann, der sich aus nachteiligen Prozessen ergeben kann, die durch
die moderat hohe Temperatur hervorgerufen werden können. Ferner
können
die Messdaten zeigen, dass die durch die Kurve B beschriebenen Prozessbedingungen
besser geeignet sind, da eine höhere
Prozessstabilität
im Hinblick auf eine Temperaturschwankung zumindest in dem Bereich
zwischen T4 und T5 durch die Messergebnisse angedeutet wird. Es
sollte beachtet werden, dass eine geeignete Dauer der Wärmebehandlung
ebenso auf der Grundlage der in 2c gezeigten
Messdaten bestimmt werden kann, wobei unterschiedliche Zeitintervalle
benutzt werden können,
um eine geeignete Behandlungszeit festzulegen. Beispielsweise ist für die oben
beschriebenen Chemikalien und eine Dicke der entsprechenden Passivierungsschichten, etwa
der Schicht 231, von einigen Nanometern oder weniger eine
Zeitdauer von ungefähr
20 bis 60 Sekunden geeignet, um eine große Bandbreite von Unterdruckbedingungen
abzudecken, sobald eine geeignete Prozesstemperatur ermittelt ist.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass andere Prozessparameter im
Hinblick auf die Prozesstemperatur, die spezifizierten Unterdruckbedingung
und die Behandlungszeit effizient bestimmt werden können, indem
entsprechende Testuntersuchungen auf der Grundlage der in dieser
Beschreibung mitgeteilten Lehre ausgeführt werden. Nach dem Ermitteln
eines geeigneten Prozessrezepts, d. h. der Spezifizierung von Unterdruckbedingungen,
die typischerweise durch den betrachteten Prozessablauf gegeben
sind, einer Prozesstemperatur und einer Prozesszeit können Produktsubstrate
auf der Grundlage der ermittelten Prozessparameter bearbeitet werden.
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Mit
Bezug zu den 3a bis 3b wird nunmehr
ein Prozess zur Herstellung einer Metallisierungsschicht mit einer
Kontaktdurchführung
detaillierter beschrieben, wobei eine nasschemische Behandlung zum
Reinigen und zum Bilden einer Passivierungsschicht verwendet wird,
woran sich das Entfernen der Passivierungsschicht auf der Grundlage
einer geeigneten Prozesstemperatur anschließt, die auf der Grundlage der
Ausführungsformen
bestimmt sein kann, wie sie zuvor mit Bezug zu den 2a bis 2c beschrieben
sind.
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In 3a umfasst
ein Halbleiterbauelement 300 ein Substrat 301,
das darauf ausgebildet eine erste Metallisierungsschicht aufweisen
kann, die aus einer ersten dielektrischen Schicht 302 mit
einer Metallleitung 304, die ein Metall 303 und
eine Barrieren- und Haftschicht 305 enthält, aufgebaut
ist. Im Hinblick auf die Materialzusammensetzung und die diversen
Komponenten gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug
zu 1 dargelegt sind. Das gleiche gilt
für eine
zweite dielektrische Schicht 307, die auf einer Ätzstoppschicht 310 gebildet
ist, wobei eine Kontaktlochöffnung
durch die dielektrische Schichten 307 und 310 hindurch
gebildet ist. Ferner kann ein Graben 309 in einem oberen
Bereich der Schicht 307 ausgebildet sein. Kontaminationsstoffe 311 können auf
einem Oberflächenbereich 303a vorhanden
sein, wobei die Kontaminationsstoffe 311 Fluor, Sauerstoff
und Kupfer repräsentieren
können, wenn
das Metall 303 ein kupferbasiertes Metallgebiet ist. Hinsichtlich
der Herstellung der Halbleiterstruktur 300, wie sie in 3a gezeigt
ist, können
im Wesentlichen die gleichen Prozesse angewendet werden, wie sie
zuvor mit Bezug zu den 1a und 2a beschrieben
sind. D. h., die Kontaminationen 311 können sich während des anisotropen Ätzprozesses zur
Herstellung der Kontaktlochöffnung 308 durch
die dielektrische Schicht 307 und die Ätzstoppschicht 310 hindurch
gebildet haben. Ferner wird das Halbleitebauelement 300 einer
nasschemischen Behandlung 330 zum Entfernen der Kontaminationsstoffe 311 und
in einigen anschaulichen Ausführungsformen,
zur Herstellung einer Passivierungsschicht unterzogen, wie dies
zuvor mit Bezug zu 2a erläutert ist. In anderen anschaulichen
Ausführungsformen
kann die nasschemische Behandlung 330 so ausgeführt werden,
dass die Kontaminationsstoffe 311 effizienter entfernt
werden, und in einem nachfolgenden separaten Prozess wird beispielsweise
auf der Grundlage eines nasschemischen Prozesses eine entsprechende
Passivierungsschicht gebildet.
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3b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 nach dem Ende
des nasschemischen Prozesses 330 und nach der Herstellung
einer Passivierungsschicht 331, die zumindest auf dem freigelegten
Oberflächenbereich 303a ausgebildet
ist. Es sollte beachtet werden, dass das in 3b gezeigte Halbleiterbauelement 300 eine
deutlich geringere Empfindlichkeit für Substrathantierungs- und
Bearbeitungsprozesse zeigen kann, die an dem Bauelement 300 in
dem gezeigten Zustand ausgeführt
werden, da die äußerst reaktive
und gereinigte Oberfläche 303a effizient
durch die Passivierungsschicht 331 geschützt ist.
In dem in 3b gezeigten Herstellungsstadium
soll das Halbleiterbauelement 300 für die Aufnahme eines Barrieren-
und Haftmaterials mit nachfolgendem Auffüllen der Kontaktlochöffnung 308 und
des Grabens 309 mittels eines gut leitfähigen Materials, etwa Kupfer,
vorbereitet werden. Zu diesem Zweck wird das Bauelement 300 einer
Wärmebehandlung 320 ausgesetzt,
die durch spezifizierte Unterdruckbedingungen und eine spezifizierte Prozesstemperatur
definiert ist, wobei die Behandlung 320 so gestaltet ist,
dass die Passivierungsschicht 331 im Wesentlichen durch
Verdampfung entfernt wird. Wie zuvor erläutert ist, kann die Passivierungsschicht 331 eine
Dicke von einigen Nanometer oder weniger aufweisen, wobei ein geeignetes
Prozessrezept auf der Grundlage der Messergebnisse und der mit Bezug
zu den 2a bis 2c erläuterten
Prozeduren ermittelt werden kann, um damit die Passivierungsschicht 331 mit
den erforderlichen Eigenschaften im Hinblick auf die Passivierung
der Oberfläche 303a und
im Hinblick auf das Abtragsverhalten während der Behandlung 320 bereitzustellen. Während des
Entfernens der Passivierungsschicht 331 durch die Behandlung 320 auf
der Grundlage einer Verdampfung kann die Kontamination der Kontaktlochöffnung 308 und
der freigelegten Oberfläche 303 deutlich
im Vergleich zu anderen Techniken unterdrückt werden, in denen eine Passivierungsschicht
mittels eines plasmabasierten Prozesses entfernt wird.
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3c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 während der
Herstellung einer Barrieren/Haftschicht mittels eines Sputter-Prozesses 332, wobei
in einigen Ausführungsformen
ein entsprechender Sputter-basierter Vorreinigungsprozess auf Grund
des effizienten Entfernens der Passivierungsschicht 331 während der
vorhergehenden Behandlung 320 weggelassen werden kann.
In anderen anschaulichen Ausführungsformen
können
die Behandlung 320 und der nachfolgende Abscheideprozess 332 in-situ
ausgeführt
werden, d. h. die spezifizierte Unterdruckbedingungen der Behandlung 320 werden im
Wesentlichen beibehalten, d. h. es tritt kein Unterbrechen des Vakuums
während
der Prozesse 320 und 331 auf, wodurch das Risiko
einer Kontaminierung der Oberfläche 303 vor
dem eigentlichen Abscheiden eines Barrierenmaterials deutlich reduziert wird.
Ein entsprechender in-situ-Prozessablauf
kann vorteilhaft sein, wenn der Abscheideprozess 332 unmittelbar
auf dem Oberflächenbereich 303a nach dem
Entfernen der Passivierungsschicht 331 mittels der Behandlung 320 ohne
einen dazwischenliegenden plasmaunterstützten Reinigungsprozess ausgeführt wird.
In einer noch weiteren anschaulichen Ausführungsform kann der Abscheideprozess 332 einen Vorreinigungsprozess 333 aufweisen,
um verbleibende Kontaminationsstoffe von den Oberflächenbereich 303a nach
dem Entfernen der Passivierungsschicht 331 durch die Behandlung 320 zu
entfernen. Auf Grund der vorhergehenden Behandlung 320 können Reste
auf der Oberfläche 303a effizienter
entfernt werden, wobei die Vorreinigung 333 so gestaltet sein
kann, dass eine unerwünschte
Schädigung
des Oberflächenbereichs 303a sowie
eine unerwünschte Kupferkontamination
der Kontaktlochöffnung 308 deutlich
reduziert werden kann, da der Vorreinigungsprozess 333 mit
einer deutlich reduzierten Menge an Verunreinigungen im Vergleich
zu konventionellen Techniken konfrontiert wird. In anderen Ausführungsformen
kann der Abscheideprozess 332 eine selbstbegrenzende Abscheidetechnik,
die als Atomlagendepositon bekannt ist, repräsentieren, wenn sehr anspruchsvolle
Barrieren/Haftschichten auf Grund äußerst größerenreduzierter Halbleiterbauelemente
erforderlich sind, die es notwendig machen, dass die Kontaktlochöffnung 308 einen
Durchmesser von 80 nm oder sogar weniger aufweist. Es sollte beachtet
werden, dass die im Wesentlichen gleichförmige defektfreie Oberfläche 303a die
Möglichkeit
für eine
weitere Bauteilgrößenreduzierung schafft,
ohne dass die Zuverlässigkeit
der Metallisierung des Bauelements 300 beeinträchtigt ist,
da der Kontaktwiderstand der Kontaktlochöffnung 308 nach Einfüllen des
Kupfers zu dem darunter liegenden Metallgebiet 303 deutlich
kleiner sein kann im Vergleich zu konventionellen Techniken, die
einen erhöhten Anteil
an Oberflächenunregelmäßigkeiten
erzeugen.
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3d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 300 nach der Herstellung
einer Barrieren/Haftschicht 313 mittels des Abscheideprozesses 332,
und mit einer Saatschicht 314 und einer Metallschicht 315,
die auf der Barrieren/Haftschicht 313 gebildet sind. Die
Saatschicht 314 sowie die Hauptmetallschicht 315 können in
anschaulichen Ausführungsformen
aus Kupfer oder Kupferlegierungen hergestellt sein, während in
anderen Ausführungsformen
andere geeignete Materialzusammensetzungen für die Schichten 314 und 315 entsprechend
den Entwurfserfordernissen verwendet werden können. Ferner kann, wie zuvor
angemerkt ist, die Barrieren/Haftschicht 313 aus zwei oder
mehreren Teilschichten aufgebaut sein, abhängig von den Eigenschaften
des in der Schicht 315 enthaltenen Metalls. In den mit
Bezug zu den 3a bis 3d beschriebenen
Ausführungsformen
ist die Reihenfolge der Herstellung des Grabens 309 und
der Kontaktdurchführung 308 nicht
wesentlich. Folglich kann das obige Prozessschema mit der Herstellung
der Passivierungsschicht 331 und dessen Entfernung mittels
der temperaturbasierten Behandlung 320 auch für einen
Kontaktloch zuerst/Graben zuletzt-Ansatz oder für einen Graben zuerst/Kontaktloch
zuletzt-Ansatz verwendet werden.
In ähnlicher
Weise kann die Kontaktlochöffnung 308 zuerst
hergestellt werden, wobei auch in diesem Falle die entsprechende
Herstellung der Passivierungsschicht 331 und deren Entfernung
in der oben beschriebenen Weise ausgeführt werden kann, und nach dem
Füllen
der Kontaktlochöffnung 308 mittels
eines geeigneten Metalls wird der Graben 309 gebildet.
In dieser Prozesssequenz kann der Grabenätzprozess zur Herstellung des
Grabens 309 auf der Grundlage einer entsprechenden Ätzstoppschicht
ausgeführt
werden, oder kann ohne eine Ätzstoppschicht
ausgeführt
werden, abhängig
von den Bauteil- und Prozesserfordernissen, wobei der entsprechende Ätzprozess
ebenso entsprechende Kontaminationsstoffe schaffen kann, wenn die
Verbindung zu dem darunter liegenden Kontaktloch 308 hergestellt
wird, das bereits mit einem äußert leitfähigem Metall,
etwa Kupfer, gefüllt
ist. Folglich kann nach dem Ende des Grabenätzprozesses eine entsprechende
Prozesssequenz, wie sie zuvor beschrieben ist, d. h. die Herstellung
einer Passivierungsschicht und deren nachfolgende Entfernung unmittelbar
vor dem Abscheiden einer entsprechenden Barrierenschicht, ebenso
angewendet werden, wodurch die Produktionsausbeute sowie die Zuverlässigkeit
der Verbindungsstruktur deutlich verbessert werden.
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Es
gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt eine Technik bereit,
die die Herstellung von Verbindungsstrukturen ermöglicht,
in denen Kontaktdurchführungen
und Gräben
mit entsprechenden Metallgebieten, etwa Kupfergebieten, verbunden
sind, wobei eine deutliche Reduzierung des Anteils an Unregelmäßigkeiten
bewirkt wird, die sich ansonsten konventioneller Weise an der Grenzfläche zwischen
zwei benachbarten Metallgebieten, etwa einer Kontaktdurchführung und
einem darunter liegenden Metallgebiet, ausbilden. Nach der Herstellung
entsprechender Öffnungen,
die mit dem darunter liegenden Metallgebiet in Verbindung stehen,
kann ein äußerst effizienter
nasschemischer Reinigungsprozess ausgeführt werden, der in einigen
anschaulichen Ausführungsformen
in Verbindung mit einer nachfolgenden Herstellung einer dünnen Passivierungsschicht
verknüpft
ist, um damit in effizienter Weise durch das Ätzen hervorgerufene Kontaminationen
zu entfernen. Nach dem Entfernen der Kontamination wird eine Passivierungsschicht
gebildet, die deutlich die weitere Handhabung des Substrats verbessert,
da eine weitere Reaktion der reaktiven und gereinigten Kupferoberfläche deutlich
unterdrückt
wird, insbesondere für
Substrate mit dielektrischen Materialien, die Fluor enthalten. Nach
den erforderlichen Substrathantierungsprozessen oder anderen zwischengeschalteten Fertigungsprozessen
wird die Passivierungsschicht in effizienter Weise vor der Herstellung
einer Barrieren/Haftschicht mittels einer Wärmebehandlung entfernt, die
unter spezifizierten Unterdruckbedingungen auf der Grundlage einer
geeignet ausgewählten
Prozesstemperatur zum Entfernen des Materials der Passivierungsschicht
auf Grundlage einer Verdampfung ausgeführt wird. Folglich kann die
effizient gereinigte Kupferoberfläche in zuverlässiger Weise
exponiert werden, ohne dass die Oberfläche unnötig geschädigt wird oder zusätzliche
Kupferkontaminationen an Seitenwandbereichen der entsprechenden Öffnung hervorgerufen
werden. Danach kann unmittelbar das Abscheiden des Barrieren/Haftmaterials zum
Beispiel in einem in-situ-Prozess erfolgen, oder es kann ein plasmagestützter Vorreinigungsprozess ausgeführt werden,
wobei jedoch weniger kritische Prozessparameter auf Grund der vorhergehenden Bildung
der Passivierungsschicht angewendet werden können. Folglich wird eine verbesserte
Prozessgleichförmigkeit
erreicht, da Wartezeiteffekte in effizienter Weise ausgeglichen
oder sogar vollständig
vermieden werden können.
Somit kann die Produktionsausbeute und die Zuverlässigkeit
der Verbindungsstruktur deutlich verbessert werden.
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Weitere
Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden
für den
Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese
Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann
die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung
zu vermitteln. Selbstverständlich
sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung
als die gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
zu betrachten.