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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 eingebettet sind, wobei das kupferbasierte Metall einen
stickstoffenthaltende Kupfersilizid-(CuSiN)Oberflächenanteil
zur Verbesserung des Elektromigrationsverhaltens des Metalls erhält.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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In
modernen integrierten Schaltungen haben die minimalen Strukturgrößen, etwa
die Kanallänge von
Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter 1 μm erreicht,
wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen in Bezug auf die
Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme ständig verbessert wurde. Wenn
die Größe der einzelnen
Schaltungselemente deutlich reduziert wird, wodurch beispielsweise
die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente verbessert wird,
wird auch der verfügbare Raum
für Verbindungsleitungen,
die die einzelnen Schaltungselemente elektrisch miteinander verbinden,
ebenso verringert. Folglich müssen
die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen ebenso reduziert werden,
um dem geringeren Anteil an verfügbarer
Fläche
und der erhöhten
Anzahl an Schaltungselementen pro Chip Rechnung zu tragen.
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In
integrierten Schaltungen mit minimalen Abmessungen von ungefähr 0,35 μm und darunter
ist ein begrenzender Faktor des Bauteilleistungsverhaltens die Signalausbreitungsverzögerung,
die durch die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente hervorgerufen
wird. Da nunmehr die Kanallänge
dieser Transistorelemente 50 nm und weniger beträgt, ist die Signalausbreitungsverzögerung nicht
mehr durch die Feldeffekttransistoren begründet, sondern wird auf Grund
der erhöhten
Schaltungsdichte durch die Verbindungsleitungen begrenzt, da die
Kapazität (C)
zwischen den Leitungen ansteigt und ferner auch der Widerstand (R)
der Leitungen auf Grund der geringeren Querschnittsfläche erhöht ist.
Die parasitären
RC-Zeitkonstante erfordern daher das Verwenden einer neuen Art von
Material zur Herstellung der Metallisierungsschicht.
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Üblicherweise
werden Metallisierungsschichten, d. h. Verdrahtungsschichten mit
Metallleitungen und Kontaktdurchführungen für das Erstellen der elektrischen
Verbindung der Schaltungselemente gemäß einem spezifizierten Schaltungsaufbau,
mittels einem dielektrischen Schichtstapels gebildet, der beispielsweise
Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid aufweist, wobei Aluminium
das typische Metall repräsentiert.
Da Aluminium eine deutliche Elektromigration bei höheren Stromdichten
zeigt, die in integrierten Schaltungen mit äußerst größenreduzierten Strukturelementen
erforderlich sind, wird Aluminium zunehmend durch Kupfer ersetzt,
das einen deutlich geringeren elektrischen Widerstand und auch eine
höhere Widerstandsfähigkeit
gegen Elektromigration aufweist. Für modernste Anwendungen werden
zusätzlich
zur Verwendung von Kupfer und/oder Kupferlegierungen die gut etablierten
und gut bekannten dielektrischen Materialien Siliziumdioxid (ε ungefähr 4,2) und
Siliziumnitrid (ε größer 5) durch
sogenannte dielektrische Materialien mit kleinem ε ersetzt.
Der Übergang
von der gut verstandenen und gut etablierten Metallisierungsschicht
mit Aluminium/Siliziumdioxid zu einer kupferbasierten Metallisierungsschicht
möglicherweise
in Verbindung mit dielektrischen Materialien mit kleinem ε ist mit
einer Reihe von Problemen behaftet, die es zu lösen gilt.
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Beispielsweise
kann Kupfer nicht in größeren Mengen
in effizienter Weise durch gut etablierte Abscheideverfahren, etwa
chemische und physikalische Dampfabscheidung, aufgebracht werden.
Des weiteren kann Kupfer nicht in effizienter Weise durch etablierte
anisotrope Ätzprozesse
strukturiert werden. Daher wird die sogenannte Damaszener- oder Einlegetechnik
häufig
eingesetzt, um Metallisierungsschichten mit Kupferleitungen und
Kontaktdurchführungen
zu bilden. Typischerweise wird in der Damaszener-Technik die dielektrische
Schicht abgeschieden und anschließend so strukturiert, dass
Gräben
und Kontaktlochöffnungen
vorhanden sind, die nachfolgend mit Kupfer mittels Plattierungsverfahren, etwa
Elektroplattieren oder stromlosen Plattieren, gefüllt werden.
Da Kupfer gut in einer Vielzahl von Dielektrika, etwa Siliziumdioxid
und vielen Dielektrika mit kleinem ε, diffundiert, ist die Herstellung
einer Diffusionsbarrierenschicht an Grenzflächen zu benachbarten dielektrischen
Materialien erforderlich. Des weiteren muss auch die Diffusion von
Feuchtigkeit und Sauerstoff in das kupferbasierte Metall unterdrückt werden,
da Kupfer unter Ausbildung oxidierter Bereiche reagiert, wodurch
möglicherweise
die Eigenschaften der kupferbasierten Metallleitung in Bezug auf
die Haftung, die Leitfähigkeit
und die Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Elektromigration beeinträchtigt
werden. Um die Gesamtleitfähigkeit
des Metallge biets nicht unnötig
zu reduzieren, werden häufig leitende
Barrierenmaterialien zur Abdeckung innerer Seitenwandbereiche der
Gräben
verwendet, während
dielektrische Barrierenmaterialien als Deckschicht verwendet werden,
während
dielektrische Barrierenmaterialien als Deckschicht verwendet werden,
die auch als ein wirksames Ätzstoppmaterial dienen,
wenn das Metallgebiet mittels einer Kontaktdurchführung von
einem Metallgebiet einer nächsthöheren Metallisierungsebene
kontaktiert wird. Beispielsweise ist Siliziumnitrid als eine effektive
Kupferdiffusionsbarriere bekannt und kann beispielsweise als Deckschicht
verwendet werden. In anderen Fällen
wird, wenn die moderat hohe Permittivität des Siliziumnitrids als ungeeignet
erachtet wird, häufig stickstoffangereichertes
Siliziumkarbid (SiCN) als Kupferdiffusionsbarriere eingesetzt. Trotz
des diffusionsbehindernden Effekts der Siliziumnitriddeckschichten
und der siliziumkarbidbasierten Deckschichten zeigt es sich, dass
der Widerstand des Kupfers gegen strominduzierte Materialtransporteffekte
(Elektromigration) oder andere durch Belastung hervorgerufene Materialtransporteffekte
deutlich von den Eigenschaften der Grenzfläche zwischen dem kupferbasierten
Metall und der benachbarten Deckschicht abhängt. Daher ist es in modernen
integrierten Schaltungen, in denen hohe Stromdichten auftreten,
im Allgemeinen wichtig, die Grenzfläche zwischen dem kupferbasierten
Metall und der Deckschicht so zu gestalten, dass eine gewünschte hohe Haftung
und damit ein gutes Leistungsverhalten im Hinblick auf Elektromigration
oder belastungsinduzierte Materialtransportphänomene erreicht wird. In dieser
Hinsicht wurde stickstoffenthaltendes Kupfersilizid (CuSiN) als
eine effiziente Legierung erkannt, die zu einer äußerst stabilen Grenzfläche führt, wodurch
dem entsprechenden Metallgebiet eine erhöhte Widerstandsfähigkeit
und damit Zuverlässigkeit
in Bezug auf Elektromigration und andere belastungsinduzierte Materialtransporteffekte
verliehen wird. Somit wird in einigen konventionellen Lösungsansätzen die
Kupferoberfläche
einer reaktiven Gasumgebung ausgesetzt, etwa einer Gasumgebung auf
Plasmabasis, die Silan (SiH4) als ein siliziumenthaltendes
Vorstufenmaterial und ein stickstoffenthaltendes Gas enthält, wodurch
das Kupfersilizid mit einem speziellen Anteil an Stickstoff geschaffen
wird. Für
gewöhnlich
wird der Prozess des Herstellens des CuSiN-Materials auf der freiliegenden
Kupfergrenzfläche
unmittelbar vor einer plasmaunterstützten CVD (chemische Dampfabscheidung)
des Barrierenmaterials, etwa Siliziumnitrid, stickstoffangereichertes
Siliziumkarbid, oder Kombinationen davon, durchgeführt, wobei
entsprechende Reinigungsprozesse, etwa plasmagestützte Prozesse,
und dergleichen ausgeführt werden,
um die Kupferoberfläche
für die
nachfolgende Ausbildung der CuSiN-Legierung und das Abscheiden des
Barrieren/Ätzstopp-Materials
vorzubereiten. Somit sind eine Reihe komplexer Prozesse beteiligt,
die mit der Kupferoberfläche
wechsel wirken und daher zu komplexen Oberflächenbedingungen führen können, die
daher genau gesteuerte Prozessbedingungen während der Herstellung des CuSiN-Materials
erfordern. Es zeigt sich, dass selbst geringe Abweichungen in den
Prozessbedingungen zu deutlichen Unterschieden der Zusammensetzung des
resultierenden CuSiN-Materials führen
können, wodurch
die Eigenschaften des Kupfers in der Nähe der Oberfläche sogar
beeinträchtigt
werden. Obwohl daher CuSiN ein vielversprechender Kandidat zur Verbesserung
des Leistungsverhaltens von kupferbasierten Metallisierungsstrukturen
ist, ist der Prozess nur schwer zu steuern, da beispielsweise eine geringfügige Fehlanpassung
der Vorstufenmaterialien zu nicht vorhersagbaren Leistungseigenschaften der
Metallleitung führen
kann.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Situation besteht ein Bedarf für eine verbesserte
Technik, die die Herstellung von kupferbasierten Metallisierungsschichten
mit einer effizienten Deckschicht auf der Grundlage von CuSiN ermöglicht,
wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder
zumindest in der Auswirkung reduziert werden.
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Überblick über die Erfindung
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung eine Technik zur
Herstellung einer Kupferlegierung oder einer Verbindung mit Stickstoff
und in anschaulichen Ausführungsformen
einer Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung (CuSiN) in selbstjustierter Weise
innerhalb eines kupferenthaltenden Metallgebiets, wobei ein höheres Maß an Prozesssteuerbarkeit
erreicht wird. Zu diesem Zweck werden geeignete Konzentrationen
an Stickstoff und anderen Sorten, etwa Silizium, über einer
freiliegenden Oberfläche des
kupferenthaltenden Gebiets vorgesehen, indem ein entsprechendes
Vorstufenmaterial darauf ausgebildet wird, das nachfolgend einem
geeigneten Zerfallsprozess unterworfen wird, um damit den entsprechende
Stickstoff und andere Komponenten für eine weitere Reaktion mit
dem Kupfer bereitzustellen, um damit eine gut definierte stickstoffenthaltende
Legierung, etwa eine Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung zu bilden,
die dann für
die verbesserten Eigenschaften im Hinblick auf die Elektromigration
und andere belastungsinduzierte Materialtransportwirkungen in modernen
Kupferleitungen von Halbleiterbauelementen sorgt. In einigen anschaulichen
Ausführungsformen
wird das entsprechende Vorstufenmaterial auf der Grundlage einer
chemischen Verbindung gebildet, die für eine im Wesentlichen selbstbegrenzende Oberflächenreaktion
mit freiliegenden Kupferbereichen sorgt, wodurch genau steuerbare
Prozessbedingungen für
die nachfolgende eigentliche Bildung der Legierung, etwa die Kup fer/Silizium/Stickstoff-Legierung,
geschaffen werden. Folglich wird ein gewünschtes Maß an Konzentration des Vorstufenmaterials,
etwa Silizium- und Stickstoffkonzentrationen, vorgesehen, indem
vordefinierte Vorstufenverbindungen vorbereitet werden, wobei die
präzise
Steuerung der entsprechenden Konzentrationen tatsächlich während des
selbstbegrenzenden Abscheideprozesses erreicht wird, wodurch in „automatischer
Weise" vorhersagbare
und gut definierte Prozessbedingungen während des nachfolgenden Prozesses
zum in Gang setzen einer chemischen Reaktion geschaffen werden,
um damit die kupfer- und stickstoffenthaltende Legierung zu bilden.
Somit können
durch spezielles Gestalten der entsprechenden Vorstufenverbindung
die Eigenschaften der schließlich
erhaltenen Legierung, etwa der Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung
mit hoher Genauigkeit eingestellt werden, während die entsprechende Prozesssteuerung
weniger kritisch im Vergleich zu konventionellen Strategien zur
Herstellung von CuSiN ist, in der typischerweise die entsprechenden
Vorstufenmaterialien in einer Gasumgebung, beispielsweise auf Grundlage
eines plasmaunterstützten
Prozesses, zugeführt werden.
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Gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Aufbringen
eines Vorstufenmaterials auf eine freiliegende Oberfläche eines
kupferenthaltenden Metallgebiets, das in einer ersten dielektrischen Schicht
eines Halbleiterbauelements ausgebildet ist, wobei das Vorstufenmaterial
Silizium und Stickstoff enthält
und eine selbstjustierte Vorstufenmaterialschicht auf der freiliegenden
Oberfläche
bildet. Das Verfahren umfasst ferner das Aktivieren einer chemischen
Reaktion von Silizium und Stickstoff, die in der Vorstufenmaterialschicht
enthalten sind, um eine selbstjustierte Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung
in dem kupferenthaltenden Metallgebiet an dessen Oberfläche zu bilden.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bereitstellen
eines Vorstufenmaterials mit Triazol und das Bilden einer Vorstufenmaterialschicht
aus dem Vorstufenmaterial auf einer freiliegenden Oberfläche eines
kupferenthaltenden Gebiets, das in einer dielektrischen Schicht
eines Halbleiterbauelements ausgebildet ist. Schließlich umfasst
das Verfahren das in Gang setzen einer Zerfallsreaktion der Vorstufenmaterialschicht,
um eine Deckschicht auf der Oberfläche zu bilden.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bilden eines
kupferenthaltenden Gebiets in einer dielektrischen Schicht eines Halbleiterbauelements,
wobei das kupferenthaltende Gebiet eine freigelegte Oberfläche aufweist.
Des weiteren wird eine Vorstufenmaterialschicht selektiv auf der
freigelegten Oberfläche
hergestellt, indem eine Vorstufenmateriallösung auf die freigelegte Oberfläche aufgebracht
wird, wobei die Vorstufenmateriallösung eine vordefinierte Konzentration
an Silizium und Stickstoff aufweist. Schließlich wird der Zerfall der Vorstufenmaterialschicht
in Gang gesetzt, um Silizium und Stickstoff in die Oberfläche einzubringen.
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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 Mikrostrukturbauelements während diverser
Fertigungsphasen bei der Herstellung einer selbstjustierten Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung auf
einer freigelegten Oberfläche
eines kupferenthaltenden Metallgebiets gemäß anschaulicher Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zeigen;
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1d und 1e schematisch
einen entsprechenden Mechanismus zur Bildung einer im Wesentlichen
selbstbegrenzenden Vorstufenmateralschicht auf einer Kupferoberfläche mit
einem nachfolgenden Zerfall der Vorstufenmaterialschicht gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
zeigen;
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1f schematisch
eine chemische Formel für
das Darstellen geeigneter Basismaterialien zur Herstellung von Vorstufenmaterialschichten
gemäß noch anderer
anschaulicher Ausführungsformen zeigt;
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1g schematisch
die chemische Darstellung einer geeigneten Verbindung zur Herstellung
eines Vorstufenmaterials und zum Einstellen der entsprechenden Eigenschaften
der Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen
zeigt;
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1h schematisch
eine entsprechende Vorstufenmaterialschicht unter Anwendung der
Verbindung aus 1g zeigt; und
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2a bis 2e schematisch
Querschnittsansichten diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung
einer kupferbasierten Metallisierungsstruktur für ein modernes Halbleiterbauelement
mit verbessertem Elektromigrationsverhalten gemäß 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 gezeigt 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 stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar,
deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Im
Allgemeinen löst
die vorliegende Erfindung das Problem einer reduzierten Prozesssteuerbarkeit
bei der Ausbildung äußerst effizienter
stickstoffenthaltender Kupferverbindungen, etwa von Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierungen,
in kupferenthaltenden Metallgebieten moderner Halbleiterbauelemente,
indem das „Zuführen" der gewünschten Sorten,
etwa Silizium, und der Stickstoffkomponente auf der Grundlage des
Ausbildens eines selbstjustierten Vorstufenmaterials bewerkstelligt
wird, in welchem diese Komponenten enthalten sind, wobei verbesserte
Steuerungsmöglichkeiten
zur Bildung der entsprechenden Vorstufenmaterialschicht somit für gut definierte
Reaktionsbedingungen während
des nachfolgenden eigentlichen Ausbildens der Legierung sorgen.
Somit können
die entsprechenden Reaktionspartner unmittelbar an der kupferenthaltenden Oberfläche bereitgestellt
werden, wodurch das Erzeugen der entsprechenden Gasphasen zum Einführen der
entsprechenden Silizium- und/oder Stickstoffverbindungen gemäß konventioneller
Strategien zur Herstellung von CuSiN nicht mehr erforderlich ist. Vielmehr
kann durch das Vorsehen der Vorstufenmaterialschicht, die damit
die entsprechenden Komponenten während
eines spezifizierten Aktivie rungsschrittes freisetzt, gut definierte
Bedingungen für
die Diffusion der reaktiven Komponenten in das Kupfermaterial erzeugt
werden, wobei auch die entsprechenden Konzentrationen im Wesentlichen
durch die Zusammensetzung der Vorstufenmaterialschicht festgelegt
sind, wodurch stabile Reaktionsbedingungen geschaffen werden, selbst
wenn Schwankungen in Bezug auf die Temperatur, die Dauer und dergleichen
auftreten. In einigen anschaulichen Ausführungsformen beruht der Prozess
des Herstellens der entsprechenden Vorstufematerialschicht auf einer speziellen
chemischen Verbindung, die eine chemische Bindung mit dem Kupfer
der freigelegten Oberfläche
eingeht, wodurch ein im Wesentlichen selbstbegrenzendes Abscheideverhalten
erreicht wird. Durch geeignetes Gestalten oder Auswählen der
entsprechenden chemischen Verbindungen kann somit das Ausmaß der Oberflächenabdeckung
und die Materialkonzentration der entsprechenden Komponenten, etwa
Silizium und Stickstoff, eingestellt werden, wobei auch andere Komponenten
in effizienter Weise in das kupferenthaltende Material eingeführt werden können, indem
die gewünschte
Sorte in die chemische Verbindung eingebaut wird, die zur Herstellung des
Vorstufenmaterials verwendet wird. Somit können entsprechende Oberflächeneigenschaften
des metallenthaltenden Gebiets in geeigneter Weise auf der Grundlage
gut definierter Prozessbedingungen eingestellt werden, wobei die
Möglichkeit
des Einbaus gewünschter
legierungsbildender Sorten und Dotierstoffsorten in das Vorstufenmaterial
ein hohes Maß an
Flexibilität
bietet, wobei unerwünschte
Prozesseinschränkungen
während
des eigentlichen Prozesses zum in Gang setzen der entsprechenden
Reaktion vermieden werden.
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Es
sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung äußerst vorteilhaft
im Zusammenhang mit modernen Mikrostrukturbauelementen ist, etwa
modernen integrierten Schaltungen, in denen kupferbasierte Metallisierungsstrukturen
erforderlich sind, wobei zumindest einige Grenzflächen des
kupferenthaltenden Metalls mit einem umgebenden dielektrischen Material
verbesserte Oberflächeneigenschaften
im Hinblick auf belastungsinduzierten Materialtransport, etwa Elektromigration
erfordern, um damit die Zuverlässigkeit
der Metallisierungsstruktur zu verbessern, wodurch auch die Möglichkeit
für eine weitere
Verringerung der Abmessungen des Bauelements geschaffen wird. Die
vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf andere Prozesse zur Herstellung
von Mikrostrukturbauelementen angewendet werden, in denen der Einbau
entsprechender Atomsorten in eine freigelegte Kupferoberfläche in einer weitestgehend
selbstjustierten und präzisen
Weise erforderlich ist. Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht
auf Metallisierungsstrukturen von Halblei terbauelementen eingeschränkt gesehen
werden, sofern derartige Einschränkungen
nicht explizit in der Beschreibung oder den angefügten Patentansprüchen aufgeführt sind.
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Mit
Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
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1a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Mikrostrukturbauelements 100,
das ein Substrat 101 aufweist, das ein geeignetes Trägermaterial
zur Herstellung von Mikrostrukturbauelementen repräsentiert,
in denen kupferenthaltende Metallgebiete erforderlich sind. Beispielsweise
kann das Mikrostrukturbauelement 100 ein Halbleiterbauelement repräsentieren,
das über
dem Substrat 101 ausgebildet ist, wobei das Substrat ein
Trägermaterial
repräsentieren
kann, das darauf ausgebildet eine geeignete Halbleiterschicht zur
Bildung entsprechender Schaltungselemente, etwa Transistoren, Kondensatoren,
und dergleichen aufweist. Das Bauelement 100 umfasst eine
dielektrische Schicht 102, die aus geeigneten Materialien
aufgebaut sein kann, wie sie typischerweise für die Herstellung von Mikrostrukturbauelementen
verwendet werden. Z. B. kann die dielektrische Schicht 102 Siliziumdioxid,
Siliziumnitrid, Siliziumoxidnitrid und dergleichen aufweisen, wobei in
anschaulichen Ausführungsformen
die dielektrische Schicht 102 ein dielektrisches Material
mit kleinem ε aufweist,
beispielsweise wenn moderne integrierte Schaltungen betrachtet werden.
Die dielektrische Schicht 102 enthält ein kupferenthaltendes Metallgebiet 103 mit
einer oder mehreren freigelegten Oberflächen 103s, d. h. entsprechenden
Oberflächen,
die nicht von dem dielektrischen Material oder anderen Materialien
mit einem deutlichen Anteil an nicht-Kupferatomen bedeckt sind. Wie beispielsweise
zuvor erläutert
ist, kann Kupfer effizient in einer Vielzahl an dielektrischen Materialien,
etwa Siliziumdioxid, und auch in einer Vielzahl an dielektrischen Materialien
mit kleinem ε diffundieren,
wodurch entsprechende Barrierenmaterialien zum zuverlässigen Einschließen des
Kupfers in dem Metallgebiet 103 erforderlich sind. Somit
werden an einer Grenzfläche des
Metallgebiets 103 zu dem dielektrischen Material der Schicht 102 geeignete
leitende Barrierenschichten häufig
vorgesehen, die der Einfachheit halber in 1a nicht
gezeigt sind.
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Das
Mikrostrukturbauelement 100, wie es in 1a gezeigt
ist, kann auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken hergestellt
werden, wobei z. B. die dielektrische Schicht 102 auf der
Grundlage einer geeigneten Abscheidetechnik hergestellt und nachfolgend
auf Grundlage von Lithographie, etwa Photolithographie in Verbindung
mit geeigneten Ätzver fahren
strukturiert werden kann, um eine entsprechende Öffnung zu bilden, die in modernen
Anwendungen laterale Abmessungen von 100 nm und weniger aufweist.
Beispielsweise kann ein Graben in der dielektrischen Schicht 102 mit
einer Breite von 100 nm oder weniger gebildet werden, während eine
Länge des
entsprechenden Grabens im Bereich von mehreren 10 μm liegen
kann. Danach werden Barrierenschichten gebildet, beispielsweise
auf der Grundlage gut etablierter Abscheideverfahren, etwa CVD (chemische
Dampfabscheidung), PVD (physikalische Dampfabscheidung), ALD (Atomlagenabscheidung),
elektrochemische Abscheideverfahren, und dergleichen, wobei die
entsprechenden Materialzusammensetzungen des Barrierenmaterials
in Bezug auf gute Haftung und Barriereneigenschaften ausgewählt werden.
Anschließend
wir das kupferenthaltende Metall beispielsweise auf der Grundlage
einer nasschemischen Abscheidetechnik aufgebracht, wobei typischerweise
eine im Wesentlichen nicht ebene Oberflächentopographie erzeugt wird,
die in einem nachfolgenden Prozessschritt eingeebnet werden muss.
Beispielsweise wird CMP (chemisch-mechanisches Polieren) häufig eingesetzt,
um überschüssiges Material
der vorhergehenden Prozesse zu entfernen, etwa Barrierenmaterial,
kupferenthaltendes Metall, und dergleichen. Während des entsprechenden Einebnungsprozesses
wird die Oberfläche 103s freigelegt.
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Das
metallenthaltende Gebiet 103 kann eine Metallleitung eines
modernen Halbleiterbauelements repräsentieren, wie dies zuvor erläutert ist,
und somit können
relativ hohe Stromdichten während
des Betriebs des Bauelements 100 auftreten, die in Verbindung
mit Wärmeverspannungen,
die durch die Wärmeabfuhr
erzeugt werden, zu einem belastungsinduzierten Materialtransport
in dem Gebiet 103 führen können. Elektromigration,
das ein wichtiger Aspekt des belastungsinduzierten Materialtransports
in Metallleitungen darstellt, kann als das Wandern von Atomen in
einem metallenthaltenden Gebiet verstanden werden, wobei die Wanderung
der Metallatome durch den Impulsübertrag
von Leitungselektronen hervorgerufen wird. In einem kupferbasierten
Metallgebiet wird die Elektromigration im Allgemeinen durch Grenzflächendiffusion
und Oberflächendiffusion
begünstigt.
Es ist daher von großer
Wichtigkeit, verbesserte Oberflächeneigenschaften
vorzusehen, um damit die Grenzfläche
zwischen dem Metallgebiet 103 und einem dielektrischen
Material, das darauf gemäß den Bauteilerfordernissen
herzustellen ist, zu verbessern. In dieser Hinsicht wurde erkannt, dass
der Einbau von speziellen Dotierstoffsorten in die freigelegte Oberfläche 103s deutlich
das Gesamtelektromigrationsverhalten ändern kann, nachdem das Metallgebiet 103 von
einem geeigneten dielektrischen Material umgeben ist. Das Bilden
einer stickstoff enthaltenden Kupferverbindung, etwa einer Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung
(CuSiN) auf der Oberfläche 103s kann
deutlich die Materialdiffusion an der entsprechenden Grenzfläche verringern,
wodurch das entsprechende Elektromigrationsverhalten auf der Grundlage
des stöchiometrischen
Verhältnisses
der diversen Komponenten der Legierung und dergleichen eingestellt
werden kann. Das Ausbilden einer entsprechenden Verbindung oder
Legierung mit einer deutlich geringeren Leitfähigkeit oder mit einer isolierenden
Eigenschaft kann einen deutlichen Einfluss auf die Gesamtleitfähigkeit
des Gebiets 103 ausüben,
wenn eine deutliche Menge an Kupfer während des entsprechenden Prozesses
zur Herstellung der entsprechenden Legierung in der Nähe der Oberfläche 103s verbraucht
wird. Somit ist eine präzise Steuerung
des entsprechenden Prozesses erforderlich, da beispielsweise selbst
geringe Schwankungen in der entsprechenden Schichtdicke zu sehr
variablen Leitfähigkeitsbedingungen
führen
und damit das Gesamtelektromigrationsverhalten beeinflussen können. Folglich
wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung die freigelegte Oberfläche 103s einer
Behandlung 104 unterzogen, die das Aufbringen eines geeigneten
Vorstufenmaterials 105 beispielsweise in Form einer Flüssigkeitslösung umfasst,
in der die erforderlichen Sorten eingebaut sind, um damit eine die
Elektromigration verbessernde Legierung an der Oberfläche 103s in
einer späteren
Fertigungsphase zu bilden. In einer anschaulichen Ausführungsform
weist das Vorstufenmaterial 105 darin eingebaut Silizium
und Stickstoff auf, um die erforderlichen Komponenten für die Herstellung
einer Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung bereitzustellen. Das
Vorstufenmaterial 105 kann ferner so gestaltet sein, dass
eine Oberflächenreaktion
mit Kupfermaterial in äußerst selektiver
Weise auftritt, während
das Material der Schicht 102 im Wesentlichen nicht beeinflusst
wird. Auf diese Weise kann ein hohes Maß an Selektivität erreicht
werden, so dass die Behandlung 104 ein selbstjustierendes Verhalten
zeigt.
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1b zeigt
schematisch das Mikrostrukturbauelement 100 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium, wobei eine entsprechende
Vorstufenmaterialschicht 105a auf der Oberfläche 103s gebildet
ist. Die Vorstufenmaterialschicht 105a kann zusätzlich zu
einer spezifizierten Materialzusammensetzung eine gut definierte
Dicke 105t aufweisen, die von der Art des verwendeten Vorstufenmaterials
abhängt,
wie dies später
detailliert beschrieben wird, während
die entsprechenden Prozessbedingungen während der Behandlung 104 zum
Erhalten der gut definierten Eigenschaften der Schicht 105a weniger kritisch
sind. Folglich kann eine gut definierte Menge der erforderlichen
Vorstufenmaterialien für
die eigentliche Herstellung der spezifizierten elektromigrationsverbessernden
Verbindung durch die Vor stufenmaterialschicht 105a bereitgestellt
werden, so dass gut definierte Reaktionsbedingungen in einem nachfolgenden
Prozessschritt geschaffen werden können. Beispielsweise kann die
Dicke 105t im Wesentlichen eine Monoschicht des entsprechenden
Vorstufenmaterials repräsentieren
und die Größe der entsprechenden
Moleküle
in dem Vorstufenmaterial bestimmt eine physikalische Dicke der Schicht 105a, wie
dies nachfolgend gezeigt ist. In diesem Falle ist die schließlich erreichte
Konzentration der entsprechenden legierungsbildenden Sorten oder
Dotierstoffsorten auch durch die Größe der einzelnen „Trägermoleküle" und durch die Anzahl
der Atome der entsprechenden Sorten, die in jedem der entsprechenden
Trägermoleküle vorgesehen
sind, bestimmt, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
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1c zeigt
schematisch das Bauelement 100 in einem weiter fortgeschrittenen
Herstellungsstadium, in welchem die entsprechenden Sorten, die in
einer „deaktivierten" Form in der Vorstufenmaterialschicht 105a vorgesehen
sind, durch einen entsprechenden Aktivierungsprozess 106 „aktiviert" werden, wobei der
Prozess als ein beliebiger geeigneter Prozess gestaltet ist, um
eine wesentliche Zerfallsreaktion in der Vorstufenmateralschicht 105a in Gang
zu setzen. Beispielsweise kann der Aktivierungsprozess 106 eine
Wärmebehandlung
umfassen, um damit einen chemisch aktivierten Zerfall der Schicht 105a hervorzurufen,
wodurch eine entsprechende Sorte freigesetzt wird, die dann in das
kupferenthaltende Material über
die Oberfläche 103s diffundiert,
um die gewünschte
Legierung oder Verbindung, etwa eine Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung, zu
bilden. In anderen anschaulichen Ausführungsformen umfasst die Aktivierungsbehandlung 106 eine plasmagestützte Umgebung,
um damit den Zerfall der Vorstufenmaterialschicht 105a in
Gang zu setzen. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen
wird eine strahlungsinduzierte Zerfallsreaktion während der
Behandlung 106 bewirkt, etwa in Form einer UV-Strahlung,
die ausreichend Energie zuführt, um
damit einen deutlichen Zerfall der Schicht 105a hervorzurufen.
Wie zuvor erläutert
ist, können
auch gut definierte Bedingungen für die nachfolgende chemische
Reaktion geschaffen werden, da eine gut definierte Konzentration
der entsprechenden legierungsbildenden Sorte in der Vorstufenmaterialschicht 105a eingebaut
ist und der Aktivierungsprozess 106 im Wesentlichen gleichförmige Prozessbedingungen über die
gesamte Oberfläche 103s hinweg
schafft, wodurch ein hohes Maß an
Gleichförmigkeit
für eine sich
ergebende Deckschicht 107 geschaffen wird, die auf der
Grundlage der entsprechenden Sorten gebildet wird, die in der Vorstufenmaterialschicht 105a enthalten
sind. Somit können
entsprechende Eigenschaften der Deckschicht 107, etwa die
Schichtdicke, die Grenzflä chengleichmäßigkeit,
die Gleichmäßigkeit
einer Konzentration der entsprechenden Sorten innerhalb der Schicht 107,
im Wesentlichen durch die Vorstufenmaterialschicht 105 definiert
werden, wodurch ein hohes Maß an
Prozessgleichmäßigkeit
und Stabilität
geboten wird.
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Es
sollte beachtet werden, dass die Prozesssequenz mit den Prozessen 104 und 106 dazwischenliegende
Prozesse beinhalten kann, die in unterschiedlichen Prozessanlagen
ausgeführt
werden können.
Beispielsweise kann die Vorstufenmaterialschicht 105a während einer
beliebigen geeigneten Fertigungsphase gebildet werden, beispielsweise
unmittelbar nach dem Freilegen der Oberfläche 103s oder nach
anderen Prozessen, etwa einem Ausheizprozess zum Einstellen der
Kristallstruktur des Metallgebiets 103, wobei der Prozess 104 nach
einem entsprechenden Reinigungsprozess stattfinden kann, um Kontaminationsstoffe
bei Bedarf zu entfernen. Danach wird das Bauelement 100 entsprechend den
Erfordernissen bearbeitet, wobei die Vorstufenmaterialschicht 105a auch
für ein
gewünschtes
Maß an
Passivierung sorgen kann, wodurch tendenziell das Erzeugen zusätzlicher
Korrosionsstoffe auf der freigelegten Oberfläche 103s verringert
wird. Während
eines geeigneten Fertigungsstadiums, beispielsweise unmittelbar
vor dem Abscheiden eines weiteren dielektrischen Materials, wird
der Prozess 106 in der entsprechenden Prozesssequenz ausgeführt, in
einigen anschaulichen Ausführungsformen ohne
Unterbrechen der Vakuumbedingungen, wodurch weiter zur Prozesseffizienz
beigetragen wird. In anderen Fällen
wird der Aktivierungsprozess 106 in Verbindung mit einem
entsprechenden Ausheizprozess ausgeführt, der zum Einstellen der
Kristallstruktur in dem Gebiet 103 erforderlich ist. Somit kann
das Unterteilen des Prozesses zur Herstellung der Deckschicht 107 in
zwei relativ unabhängige
Prozessschritte für
eine verbesserte Prozessgleichförmigkeit
sorgen, wie dies zuvor erläutert
ist, und wie dies auch nachfolgend detaillierter erklärt ist,
und damit wird auch eine erhöhte
Prozessflexibilität
des Gesamtfertigungsprozesses geschaffen, wodurch die Prozesskomplexität im Vergleich
zu konventionellen Ansätzen
zur Herstellung einer Kupfer/Silizium/Stickstoff-Deckschicht reduziert
wird.
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1d zeigt
schematisch die Situation an der Oberfläche 103s nach dem
Bilden der Vorstufenmaterialschicht 105a. Wie gezeigt ist
die Vorstufenmaterialschicht 105a aus entsprechenden Molekülen 105b aufgebaut,
die als Träger
für entsprechende Sorten 105c dienen,
die zur Herstellung des gewünschten
Materials in der Deckschicht 107 erforderlich sind. In
anschaulichen Ausführungsformen
umfassen die Sorten 105c zumindest Silizium/Stickstoff, um
damit Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierungen zu erhalten. Die Moleküle 105b sind
so gestaltet, dass eine chemische Bindung 105d mit einem
Kupferatom, das an der Oberfläche 103s verfügbar ist,
erzeugt wird, während
die Moleküle 105b im
Wesentlichen „inert" in Bezug auf Nichtmetallsorten
sind, wie sie in den entsprechenden Oberflächenbereichen der dielektrischen
Schicht 102 angetroffen werden. Folglich können die
Eigenschaften der Moleküle 105b für die gewünschte Selbstjustierung
und auch für
die Selbstbegrenzung des entsprechenden Abscheideprozesses sorgen,
da die Moleküle 105b nicht
in der Lage sind, in die Oberfläche 103s zu
diffundieren, wodurch verfügbare
Reaktionspartner auf entsprechende Kupferatome beschränkt sind,
die an der Oberfläche 103s verfügbar sind.
Ferner kann der Grad an Abdeckung oder Sättigung der Schicht 105a dann
von der Größe der einzelnen
Moleküle 105b abhängen, so
dass für
eine vorgegebene Anzahl an Atomsorten 105c die entsprechende
Konzentration durch geeignetes Modifizieren der Größe der Moleküle 105b eingestellt
werden kann.
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1e zeigt
schematisch die Situation während
des Aktivierungsprozesses 106, wobei die Aktivierungsenergie,
die während
des Prozesses 106 erhalten wird, zu einem Zerfall der entsprechenden
Moleküle 105b führt, wodurch
die Sorten 105c freigesetzt werden, die nunmehr in die
Oberfläche 103s diffundieren
und eine entsprechende chemische Reaktion mit den Kupferatomen durchlaufen,
wodurch die gewünschte
Legierung oder Verbindung, etwa eine Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierung,
gebildet wird. Folglich wird während
des Aktivierungsprozesses 106 eine gut definierte Konzentration
der Sorten 105c unmittelbar an der Oberfläche 103s geschaffen, wodurch
der entsprechende Prozess zur Herstellung der Deckschicht 107 relativ
unempfindlich ist für
Prozessschwankungen. D. h., in dem ersten Schritt zur Herstellung
der Vorstufenmaterialschicht 105a wird die Konzentration
der Sorten 105c im Wesentlichen durch die Eigenschaften
der Moleküle 105b bestimmt,
die innerhalb gut steuerbarer Prozessbedingungen bereitgestellt
werden können.
Der Vorgang des Anhaltens der Moleküle 105b an der Oberfläche 103s kann
dann in einem gut steuerbaren Prozessfenster stattfinden. Schließlich verläuft die
eigentliche chemische Reaktion der Sorten 105c mit dem
Kupfer in der Nähe
der Oberfläche 103s in
einer im Wesentlichen gleichmäßigen Form
mit einem deutlich weniger eingeschränkten Prozessfenster im Vergleich
zu konventionellen Verfahren, in denen die entsprechende Deckschicht
auf der Grundlage einer oder mehrerer reaktiver Gasumgebungen gebildet
wird, in der eine präzise
Steuerung der entsprechenden Prozessparameter, etwa der Durchflussraten,
Temperatur, dem Druck, und dergleichen, erforderlich ist.
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1f zeigt
schematisch die Moleküle 105b gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, beruhen die Moleküle 105b auf
einer Triazol-Komponente,
die in diversen Kombinationen beispielsweise in Form von Benzentriazol
(BTA), und dergleichen, eingesetzt werden kann. Die entsprechenden
Teile der Moleküle 105b,
die für
das Erzeugen entsprechender Bindungen mit dem Kupfer verantwortlich
sind, sind als 105e dargestellt. Somit können diese
Moleküle
in effizienter Weise eingesetzt werden, um das gewünschte Maß an Selektivität in Bezug
auf eine kupferenthaltende Oberfläche zu schaffen, da bekanntlich
beispielsweise BTA und Triazol-Verbindungen monomolekulare Schichten
auf freigelegten Kupferoberflächen
bilden. Somit kann dieser Mechanismus vorteilhaft in anschaulichen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die entsprechende
Vorstufenmaterialschicht 105a zu bilden, wobei die entsprechenden
Moleküle
in geeigneter Weise gestaltet sind, dass die die gewünschten
Sorten 105c enthalten.
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1g zeigt
schematisch eines der Moleküle 105b gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt enthält das Molekül 105b entsprechende
Komponenten X, Y, die mit entsprechenden Stickstoffatomen des Basistriazolmolekül verbunden
sind. Diese Komponenten X, Y können
in einfacher Weise durch Kohlenstoff oder Silizium abhängig von
den Prozesserfordernissen ersetzt werden. Wenn beispielsweise eine
moderat hohe Siliziumkonzentration in der Vorstufenmaterialschicht 105a erwünscht ist,
können
beide Komponenten X und Y durch ein Siliziumatom ersetzt werden.
Des weiteren kann das Molekül 105b entsprechende
Gruppen R1 und R2 aufweisen, die entsprechende Moleküle für „Sorten" sein können, die
ein geeignetes Material enthalten, etwa Silizium, Kohlenstoff, Schwefel,
Wasserstoffe, Phosphor, und dergleichen. Durch Vorsehen eines entsprechenden
Moleküls
der gewünschten
Sorte kann somit ein geeignetes Material in die Kupferoberfläche eingebaut
werden. Wenn beispielsweise eine spezielle Dotierstoffgattung in
die Kupferoberfläche 103s einzubinden
ist, können
R1 oder R2 oder beide durch ein entsprechendes Molekül ersetzt
werden. Die funktionalen Gruppen R1 und R2 können auch Metallkomplexe repräsentieren,
wenn eine entsprechende Anwesenheit einer Metallsorte im Hinblick
auf die Oberflächeneigenschaften
wünschenswert
ist. In einem anderen Fall, wie zuvor erläutert ist, kann die individuelle
Größe des Moleküls 105b in
geeigneter Weise auf der Grundlage der entsprechenden Gruppen R1
und R2 gestaltet werden, die dann nicht notwendigerweise die Funktion
zur Bereitstellung entsprechender Sorten besitzen, die in die Kupferoberfläche 103s eingebaut
werden sollen, sondern die das Maß an Abdeckung oder Konzentration
entsprechender Moleküle 105b einstellen,
die mit der Oberfläche 103s eine Verbindung
eingehen. Somit kann selbst mit einem relativ einfachen Molekül, etwa
dem Molekül 105b auf
Triazolbasis, wie es in 1g gezeigt
ist, eine breite Fülle
unterschiedlicher Moleküle 105d gestaltet
werden und somit kann eine entsprechende Vielzahl an Vorstufenmaterialschichten 105a auf
der Grundlage gut steuerbarer Prozessbedingungen erzeugt werden.
Wie zuvor erläutert
ist, kann das Wasserstoffatom in dem Molekül 105b durch Kupfer
ersetzt werden, wenn das entsprechende Vorstufenmaterial während des
Prozesses 104 aufgebracht wird, wodurch das selbstjustierende
und selbstbegrenzende Abscheideverhalten geschaffen wird. Wenn andererseits
erhöhte
Konzentrationen entsprechender Sorten wünschenswert sind oder wenn mehrere
identische Schichten in der Vorstufenmaterialschicht 105a erforderlich
sind, kann die Gruppe R1 geeignet so gestaltet werden, dass diese
eine chemische Bindung mit einem weiteren der Moleküle 105b eingeht.
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1h zeigt
schematisch die Vorstufenmaterialschicht 105a, wenn diese
auf der Grundlage der Moleküle 105b gebildet
ist, die in 1g gezeigt sind. Wie dargestellt,
kann eine im Wesentlichen monomolekulare Schicht auf der Grundlage
entsprechender chemischer Bindungen gebildet werden, in welchem
das Wasserstoffatom durch ein entsprechendes Kupferatom in der Oberfläche 103 ersetzt wird.
Des weiteren bestimmt die Größe der Moleküle 105b,
die beispielsweise durch die Gruppen R1 und R2 eingestellt wird,
im Wesentlichen die Konzentration oder das Ausmaß an Abdeckung der Oberfläche 103s,
wobei auch der pH-Wert der entsprechenden Flüssigkeitslösung 105 einen Einfluss
auf die schließlich
erreichte Konzentration an Molekülen 105b ausüben kann.
Somit können
die entsprechenden Parameter zum Bestimmen der Eigenschaften der
Vorstufenmaterialschicht 105a durch gut steuerbare Parameter,
etwa die Art der Moleküle
der Gruppen R1 und R2 und der lokale pH-Wert definiert werden. Auch
die schließlich
erreichte Dicke der Deckschicht 107 kann auf der Grundlage
dieser Prozessparameter somit erhalten werden, wobei moderate Prozessfluktuationen
während
des Aktivierungsprozesses 106 weniger kritisch sind.
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Wie
zuvor erläutert
ist, kann ein anderes Material, etwa eine Dotierstoffgattung, die
in die Oberfläche 103s einzubauen
ist, mit einem hohen Maß an Gleichmäßigkeit
vorgesehen werden, da auch die Konzentration dieser Komponenten
im Wesentlichen durch die Eigenschaften der Vorstufenmaterialschicht 105a bestimmt
ist. Durch das Vorsehen einer Prozesstechnik zur Herstellung einer
Vorstufenmaterialschicht in einer gut steuerbaren Weise, beispielsweise
in einem selbstbegrenzenden Abscheideprozess auf der Grundlage einer
geeigneten Flüssigkeitslösung, können die
entsprechenden Reaktionsbedingungen des nachfolgenden Einbaus der
entsprechenden Sorten in die kupferenthaltende Oberfläche mit
einem hohen Maß an
Gleichmäßigkeit
und Steuerbarkeit geschaffen werden.
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Mit
Bezug zu den 2a bis 2e werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben, wobei ein kupferenthaltendes
Metallgebiet eine verbesserte Grenzflächeneigenschaft auf der Grundlage eines
zweistufigen Prozesses unter Anwendung einer Vorstufenmaterialschicht,
wie sie zuvor beschrieben ist, erhält.
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2a zeigt
schematisch ein Halbleiterbauelement 200 mit einem Substrat 201,
das darauf ausgebildet eine entsprechende Materialschicht 210 aufweist,
in der entsprechende Schaltungselemente, etwa Transistoren, Kondensatoren,
und dergleichen hergestellt sind. Der Einfachheit halber sind derartige Schaltungselemente
in 2a nicht gezeigt. Die Materialschicht 210 weist
ein leitendes Gebiet 211 auf, das ein metallenthaltendes
Gebiet einer Metallisierungsschicht, einen Kontaktbereich eines
Halbleiterbauelements, und dergleichen repräsentieren kann. Das Bauelement 200 umfasst
ferner eine Metallisierungsstruktur mit einer dielektrischen Schicht 203, die
ein kupferenthaltendes Metallgebiet 203 aufweist. In der
in 2a gezeigten Ausführungsform repräsentiert
das Metallgebiet 203 eine Metallleitung mit einer entsprechenden
Kontaktdurchführung 203v, die
eine Verbindung mit dem leitenden Gebiet 211 herstellt.
Des weiteren umfasst das Metallgebiet 203 an Seitenwände ein
Barrierenmaterial 203b mit einer geeigneten Zusammensetzung,
um damit die gewünschten
Hafteigenschaften und Barriereneigenschaften bereitzustellen, wie
dies zuvor erläutert
ist. In dieser Fertigungsphase ist auch überschüssiges Material 203a über der
dielektrischen Schicht 203 ausgebildet.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung des Halbleiterbauelements 200,
wie es in 2a gezeigt ist, kann die folgenden
Prozesse umfassen. Nach der Herstellung von Schaltungselementen
in der Schicht 210, beispielsweise durch gut etablierte Halbleiterbearbeitungstechniken,
wird die dielektrische Schicht 203 über der Schicht 210 auf
der Grundlage einer geeigneten Herstellungstechnik gebildet. Beispielsweise
können
in anspruchsvollen Anwendungen dielektrische Materialien mit kleinem ε, beispielsweise
in Verbindung mit konventionellen Dielektrika, fluordotiertem Siliziumdioxid,
und dergleichen, angewendet werden, um die Schicht 203 zu
bilden. Es sollte beachtet werden, dass auch zusätzliche Ätzstoppschichten in der Schicht 203 eingebaut sein
können,
falls dies erforderlich ist. Danach wird das dielektrische Material
der Schicht 203 auf der Grundlage geeigneter Verfahren
strukturiert, zu denen beispielsweise Lithographie- und anisotrope Ätzprozesse
gehören.
Es sollte beachtet werden, dass eine Vielzahl unterschiedlicher
Fertigungsschemata im Stand der Technik bekannt sind und für das geeignete
Strukturieren der dielektrischen Schicht 203 eingesetzt
werden können.
Danach wird die Barrierenschicht 203b, falls diese erforderlich
ist, auf der Grundlage eines geeigneten Abscheideverfahrens gebildet,
woran sich das Abscheiden des kupferenthaltenden Materials anschließt, um damit
das Gebiet 203 zuverlässig
aufzufüllen,
wodurch auch das überschüssige Material 203a gebildet
wird. Das Material 203a kann zumindest teilweise durch
einen geeignet gestalteten CMP-Prozess
entfernt werden, wobei während
dieses Prozesses auch die Oberflächentopographie
eingeebnet und eine freiliegende Oberfläche des Gebiets 203 erhalten
werden kann. Während und
nach dem CMP-Prozess werden entsprechende Materialreste entfernt,
beispielsweise auf der Grundlage eines geeignet gestalteten Spülprozesses,
wobei in einer anschaulichen Ausführungsform das Aufbringen einer
entsprechenden Spüllösung das
Vorsehen eines geeignet gestalteten Vorstufenmaterials umfasst,
wie dies beispielsweise mit Bezug zu den 1d bis 1h beschrieben
ist, wodurch eine entsprechende Vorstufenmaterialschicht auf der
freigelegten Oberfläche
des Gebiets 203 in einer selbstjustierten Weise geschaffen
wird. Danach kann ein weiterer Spülprozess auf der Grundlagen
von beispielsweise deionisiertem Wasser durchgeführt werden, um Reste der Vorstufenlösung und
möglicherweise
andere Kontaminationsstoffe zu entfernen. In anderen anschaulichen
Ausführungsformen
wird das Entfernen des überschüssigen Materials 203a gemäß einem
konventionellen Prozessablauf ausgeführt und danach wird das Metallgebiet 203 in
geeigneter Weise ausgeheizt, um die Kristallstruktur darin einzustellen.
Nach dem CMP-Prozess wird eine Passivierungsschicht auf der freigelegten
Kupferoberfläche
gebildet, falls dies erforderlich ist.
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2b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 während einer
Behandlung 204, in der eine Vorstufenmateriallösung 205 auf
die freigelegte Oberfläche 203s des
Gebiets 203 aufgebracht wird. Wie zuvor beschrieben ist,
kann die entsprechende Behandlung 204 unmittelbar nach
dem Ende des Einebnungsprozesses ausgeführt werden, beispielsweise
auf der Grundlage eines entsprechenden Spülprozesses, oder kann während einer
späteren
Phase durchgeführt
werden, beispielsweise nach einem entsprechenden Ausheizprozess zum
Einstellen der Kristallqualität
des Metallgebiets 203. In einer anschaulichen Ausführungsform
enthält
das Vorstufenmaterial Silizium und Stickstoff auf Grundlage eines geeigneten
Trägermoleküls, wie
dies beispielsweise mit Bezug zu den 1d bis 1h beschrieben
ist. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen enthält das Vorstufenmaterial 205 zusätzlich zu Stickstoff
eine geeignete Dotierstoffspezies oder Metallsorte, abhängig von
den gewünschten
Eigenschaften der Oberfläche 203s.
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2c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 mit einer Vorstufenmaterialschicht 205a, die
selektiv auf der freigelegten Oberfläche 203s ausgebildet
ist, wobei die Vorstufenmaterialschicht 205a gut definierte
Eigenschaften im Hinblick auf die Dicke, Konzentration der oberflächenverbessernden Sorten,
oder dergleichen aufweist, wie dies zuvor mit Bezug zu der Vorstufenmaterialschicht 105 erläutert ist.
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2d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium, in welchem ein Aktivierungsprozess
ausgeführt
wird, um den Zerfall der Vorstufenmaterialschicht 205a in
Gang zu setzen, wie dies zuvor beschrieben ist. In einer anschaulichen
Ausführungsform
wird der Aktivierungsprozess 206 auf der Grundlage von
Prozessparametern, etwa Temperatur und Reaktionsdauer, ausgeführt, wie
dies zum Erhalten der gewünschten
Kristallstruktur in dem Metallgebiet 203 erforderlich ist.
In anderen anschaulichen Ausführungsformen
wird der Aktivierungsprozess 206 als ein unabhängiger Prozessschritt
unter Anwendung erhöhter
Temperaturen und/oder energetischer Strahlung, etwa UV-Strahlung
und/oder einer reaktiven Gasumgebung, die auf Grundlage eines Plasmas
erstellt werden kann, ausgeführt,
um in effizienter Weise den Zerfall der Vorstufenmaterialschicht 205a zu
bewirken und geeignete Prozessbedingungen für das in Gang setzen einer
entsprechenden chemischen Reaktion zwischen den in den Molekülen enthaltenen
Sorten und der freigelegten Kupferoberfläche zu definieren.
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2e zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium, wobei eine gut definierte
Deckschicht 207, wie sie während des Prozesses 206 geschaffen
wurde, in dem metallenthaltenden Gebiet 203 gebildet ist,
wodurch der Oberfläche 203s verbesserte
Oberflächeneigenschaften
im Hinblick auf beispielsweise die Elektromigration verliehen werden.
Ferner ist in dieser Fertigungsphase eine dielektrische Schicht 212 über der
Schicht 202 und auf der Deckschicht 207 gebildet.
Beispielsweise ist die dielektrische Schicht 212 aus etablierten
Barrieren- und Ätzstoppmaterialien
auf gebaut, etwa Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, stickstoffangereichertem
Siliziumkarbid oder einer Kombination davon. Somit sorgt die dielektrische
Schicht 212 für
das gewünschte
Maß an Kupfereinschluss
des kupferenthaltenden Gebiets 203 und die Deckschicht 207 bietet
die verbesserten Grenzflächeneigenschaften,
um damit die verbesserten Grenzflächeneigenschaften, um damit
Elektromigration in dem kupferenthaltenden Gebiet 203 deutlich
zu reduzieren. Des weiteren kann das Bauelement 200 eine
weitere Materialschicht, etwa eine dielektrische Schicht 213 aufweisen,
die für
weitere Metallisierungsebenen verwendet werden kann, abhängig von
den Bauteilerfordernissen.
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Folglich
kann die Herstellung der Deckschicht 207 in einem zweistufigen
Prozess ausgeführt
werden, wobei jeder Schritt während
einer geeigneten Fertigungsphase ausgeführt wird, wodurch ein hohes
Maß an
Flexibilität
bei der Herstellung des Bauelements 200 geschaffen wird.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen
wird der letzte Schritt, d. h. der Aktivierungsprozess 206,
mit einer Prozesssequenz zur Herstellung der dielektrischen Schicht 212 kombiniert,
wodurch ein äußerst effizienter
Prozessablauf mit einem hohen Maß an Kompatibilität mit konventionellen
Strategien bereitgestellt wird, wobei jedoch die Steuerung der Eigenschaften der
Deckschicht 207 im Vergleich zu konventionellen Strategien
deutlich verbessert werden kann. In ähnlicher Weise kann der erste
Schritt in standardmäßige Prozessschritte
zum Behandeln der Kupfergebiete 203 durch beispielsweise
Ausheizen, und dergleichen integriert werden, wodurch ebenso effizient
eine mögliche
zusätzliche
Prozesskomplexität
verringert wird. Auf Grund des hohen Maßes an Steuerbarkeit und des
weiten Bereichs an Anpassbarkeit der Prozesssequenz bei der Herstellung
der Deckschicht 207 können
geeignete Kupferlegierungen, etwa Kupfer/Silizium/Stickstoff-Legierungen in effizienter
Weise verwendet werden, um das Elektromigrationsverhalten in äußerst stabiler
und steuerbarer Weise zu verbessern.
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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.